Summary
Здесь протокол посвящен расследования свободного и быстрого маневрирования водного долгонога на поверхности воды. Протокол включает в себя наблюдения микроструктуры ноги и измерения силы сцепления при вылете из поверхности воды на разных скоростях.
Abstract
Это исследование с целью сделать объяснение этого явления в природе что водного долгонога обычно прыгает или скользит по поверхности воды, легко, но быстро, с его пик локомоции скорость до 150 см/сек. Во-первых мы наблюдали микроструктуры и иерархии водного долгонога ног с помощью сканирующего электронного микроскопа. На основе наблюдаемых морфология ноги была создана теоретическая модель отрешенности от поверхности воды, который объяснил способность воды Страйдеры скользить по поверхности воды без особых усилий с точки зрения уменьшения энергии. Во-вторых система измерения динамической силы была разработана с помощью датчика PVDF фильм с превосходную чувствительность, которая может обнаружить процесс весь взаимодействия. Впоследствии одной ноги при соприкосновении с водой была вытягивана вверх на разных скоростях, и сила сцепления была измерена в то же время. Результаты эксперимента вылетающих предложил глубокое понимание быстро прыгать Страйдеры воды.
Introduction
В природе вода Страйдеры обладают замечательной способности прыгать или скользить легко и быстро на поверхности воды с помощью ноги стройные и nonwetting1,2,3,4,5, но редко двигаться медленно, что является в отличие от земных насекомых. Иерархическая структура водного долгонога стабилизирует superhydrophobic государства, которое оказывает резкое сокращение в контактной области и адгезии силы между водой и нога6,,78, 9. Однако, гидродинамические преимущества быстрого разъединения Страйдеры воды от поверхности воды остаются плохо интерпретировать10,,1112.
Процесс прыгает от поверхности воды главным образом разделить на три этапа13,14,,1516. Во-первых вода Страйдеры подтолкнуть поверхности воды вниз с средней и задней ноги, чтобы преобразовать биологической энергии в энергию поверхности воды до погружения на максимальную глубину, позволяющие насекомых для инициализации прыжки направление и определить Отсоединение скорость. После стадии восходящей, насекомое выталкивается вверх капиллярные силы изогнутые водной поверхности до достижения максимальной скорости. В стадии окончательного разъединения водного долгонога продолжает расти по инерции до оторваться от поверхности воды, но скорость значительной степени снижается из-за силы сцепления с водой, который имеет основной влияние на потребление энергии водного долгонога. Следовательно этот протокол предлагается измерить силу сцепления при различных скоростях взлета в стадии разъединения и объяснить различные характеристики быстро движущихся.
Там было много исследований для изучения силу адгезии Страйдеры воды при метательным от поверхности воды. Ли и Ким теоретически и экспериментально подтвердили, что силы адгезии и энергии требуют что подъема ноги водного долгонога резко сократились, когда угол контакта увеличено до 160 градусов17. Jen Пан Вэй разработан гидростатического эксперимент для измерения силы сцепления по системе TriboScope, которая оказалась 1/5 его вес 18. Kehchih Хван анализ квазистатического процесс ног отсоединение от воды с 2D модели и обнаружил, что superhydrophobicity ноги играют существенную роль в снижении адгезии сил и энергии диссипации19. Однако измерение силы сцепления в предыдущих исследованиях был только в состоянии квазистатического процесса, который не смог контролировать изменения силы сцепления во время быстро прыгать.
В этом исследовании мы разработали систему измерения динамичной силой, с помощью винилидена фторида (PVDF) фильм датчик и другой инструмент адъюванта. По сравнению с другими материалами, ПВДФ является более подходящим для измерения динамического microforce с выше чувствительность20,,21-22. Путем интеграции PVDF фильм датчик в системе, силы сцепления в реальном времени можно было обнаружено и обрабатываются, когда нога была потянув вверх от воды поверхности23,24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Наблюдение поверхности структуры на ноге водного долгонога
- Сбор воды Страйдеры от местных пресноводных прудов с помощью рыбалка рыболовный сачок.
- Отрежьте по крайней мере 5 пар средней ноги как экспериментальных образцов, используя ножницы. Touch в нижней части ноги тщательно, чтобы предотвратить загрязнения поверхности и нарушая микроструктуры передней ноги.
- Сухие ноги в воздухе естественно.
- Соблюдайте микроструктуры поверхности ног с помощью сканирующего электронного микроскопа с резолюцией микро уровне, как показано на рисунке 1.
- Наблюдать за microsetae ноги, используя сканирующий микроскоп электрические с нано уровне резолюции, как показано нарисунке 1b.
2. Подготовьте компонент системы измерения динамической силы
- Приобрести PVDF фильм датчик с измерением 14,9 X 10.2 мм2 X 28 мкм, которая производит более чем 10 мВ на микро штамм.
Примечание: PVDF фильм датчик используется для динамического контактное усилие с высокой чувствительностью. - Покупка усилитель заряда с максимум 1000 мВ/pC бесплатно получить и низкий шум меньше чем 5 мкВ.
Примечание: Усилитель заряда используется для увеличения сигнала от датчика PVDF фильм, в котором заряд выход из датчика преобразуется в напряжение. - Приобретения устройства сбора данных, в которой аналоговый вход имеет дискретизации в диапазоне от 1/л 102.4 kS/сек.
Примечание: Устройство сбора данных используется для чтения данных напряжения заряда усилителя и отправить их в компьютер для дальнейшей обработки и отображения. - Приобрести несколько этапов высокого точного перемещения и сервомотором.
Примечание: Ножки отходят от воды разной скоростью, движимый сервомотором. - Покупка ПЗС-камеры, длина которого фокус находится в диапазоне от 5 мм до 30 мм и частота кадров-30 fps.
Примечание: Эта камера используется для записи и мониторинга деформации поверхности воды и расстояние между ног и поверхность воды. - Подготовьте компьютер высокой производительности.
3. Ассамблея всех частей динамическая система измерения силы
- Соберите систему измерения динамической силы согласно схематическое изображение показано на рисунке 2 и реальный эксперимент показано на рисунке 2b.
- Исправьте одну сторону PVDF фильм датчика с электродами до стадии высокой точного перемещения, который помещается на горизонтальный кадр, как висит другой стороне. Этот метод установки датчика PVDF фильм помогает улучшить разрешение измерения для динамичной силой микро.
- Подключите датчик фильм PVDF заряд усилитель, усилитель заряда устройства сбора данных и данных приобретение устройства к компьютеру.
- Исправьте камеру к стадии высокой точного перемещения, который находится на левой стороне PVDF фильм датчика.
- Примерно быстро настроить расстояние между ног и воды, исправить стадии высокой точное перемещение к рамке выше датчика фильм PVDF, которых разделение от датчика фильм PVDF составляет около 10 см.
- Чтобы поднять ногу от поверхности воды с точной скоростью, исправьте серводвигателя ниже стадии высокой точное перемещение.
4. Калибровка системы измерения динамической силы
- Используйте системы электростатические силы26 для создания микро постоянн силы действовали на свободный конец PVDF фильм датчика, величина которого должна быть менее 0,5 µN. контролировать электростатических сил системы, напряжения на внутренние и внешние электроды параллельно цилиндрического конденсатора.
Предупреждение: Силы должны действовать в направлении нормали к поверхности пленки PVDF и точки приложения должен быть как можно ближе к кончику PVDF фильм датчика для увеличения чувствительности. - Освободите силу в короткое время создать шаг ввода.
- Читайте сигнала напряжения во время шага 4.2 в компьютер с помощью программного обеспечения LabVIEW, который помогает читать выходные сигналы напряжения датчика фильм PVDF.
- Скачайте LabVIEW программное обеспечение и Драйвер аппаратуры NI-DAQmx в официальный веб-сайт национальных инструментов.
- Откройте демо непрерывного аналогового напряжения измерения с помощью LabVIEW, как показано на рисунке 3.
- Выберите физический канал устройства приобретение данных, связанных с Усилитель заряда в модуле Настройки канала.
- Задайте частоту дискретизации до 100000 и количество образцов до 100000 в модуле Синхронизациипараметров.
- Выберите Журнал и чтения как режим входа и записи пути к файлу для хранения данных напряжения в модуле Параметры журнала.
- Выберите не триггер в модуле Триггеровпараметров.
- Нажмите кнопку со стрелкой фигуру на панели инструментов Образец сигнал напряжения.
- Анализ кривой напряжения, в котором пиковое напряжение соответствует силы действовали на датчик.
- Повторите шаги 4.1-4.4 в различных сил ввода, в котором получила ряд точек напряжения сил.
- Определите связь о пик выходного напряжения и стандартные силы в результате калибровки.
5. Измерение силы адгезии на определенной скорости
- Место падения воды (5 мкл) на свободный конец PVDF фильм датчика с помощью механических микропипеткой.
Примечание: Расположение капли должны быть недалеко от кончика датчика фильм PVDF. - Придерживайтесь одной ноги для серводвигателя ниже стадии высокой точное перемещение.
- Переместите на стадии высокой точное перемещение вниз до ног контакты с поверхности воды, как показано на рисунке 4. Монитор расстояние между ног и воды поверхности камеры системы, установленный на левой стороне датчика.
- Поднимите ногу от поверхности воды с постоянной скоростью через сервомотором.
- Вычислить силу, соответствующее каждой точке кривой напряжения вылетающих процесса с использованием модели созданы на шаге 4.6, а затем обратить кривой силы время отхода процесса, как показано на рисунке 4b.
- Запись пик адгезии процесс отхода на определенной скорости.
6. Измерение силы адгезии на разных скоростях.
- Изменить скорость подъема ноги с сервомотором и измерить силу адгезии согласно шаг 5.
- Участок адгезии силы против отмены кривой скорости, используя данные, полученные на шаге 6.1.
- Проанализируйте взаимосвязь между силой сцепления и скорость подъема через кривой.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Соотношение между подъемная сила, скорость и адгезии, показано в таблице 1. Когда скорость подъема увеличивается от 0.01 м/с-0,3 м/с, силу адгезии между воды поверхности и ноги снижается резко от 0.10 до 0,03. Результаты уходящего эксперимента показали, что сила сцепления пик сократится резко, как подъемные увеличение скорости, который указал, что вода Страйдеры могут чувствовать себя комфортно, если они быстро перейти на поверхности воды.
В этом документе устанавливается модель ноги, отходя от поверхности воды, основанный на микроструктуру ноги и форма щетинок, который может прояснить механизм легко прыгает от поверхности воды с низкой энергии сокращения. Щетинка ноги был конические пост с передней части тонкого и Толстого, сзади как показано на рисунке 1, что привело к жесткость передней части гораздо ниже, чем задние. Таким образом в передней части сета, как правило, согнуть легко, в то время как задние сделал не из-за Потрясающе жесткость. Когда нога было вытягивано от воды, щетинок на ноге будет сгибаться благодаря силе сцепления и наконец быть расположена перпендикулярно к поверхности воды, как показано на рисунке 5. Вода будет падать вдоль щетинок естественно с диссипации низкой энергии, которой можно пренебречь. Изгиб щетинка бы линии соприкосновения значительно сократить круг с диаметром 0,2 м и уменьшение энергии может быть выражено как:
где y был коэффициент поверхностного натяжения, 72 МДж/м2 и D был диаметр кончика щетинка, соответственно. Следовательно Страйдеры вода может легко переходить в воде.
Связь между силой сцепления и скорость подъема был интерпретирован тщательно через вылетающих предыдущей модели. Согласно энергосбережения полная энергия поднял воды силу адгезии был приблизительно равен энергии сокращения ноги EДИСС. В этой модели Ediss был постоянно в различных скорость подъема. Таким образом энергии воды, pulled вверх, в том числе потенциальной энергии Ep и кинетической энергии Ek, был неизменным. Высокая скорость подъема приведет к небольшой потенциальной энергии Ep и большой кинетической энергии Ek. Поэтому, как увеличилась скорость подъема, силы сцепления, пропорциональна потенциальной энергии Epсократится резко.
Рисунок 1: nonwetting водного долгоноганоги. (щетинок на superhydrophobic ногу. (b) наноразмерных выточки щетинок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: системы измерения динамической силы. (схематическая иллюстрация системы измерения динамической силы состоит из датчика фильм PVDF, ПЗС-камеры, усилитель заряда, устройство сбора данных и компьютер. (b) реальный эксперимент инструмент системы измерения динамической силы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : На передней панели демо измерения непрерывного аналогового напряжения. Демо-версия LabVIEW используется для выборки сигналы напряжения датчика фильм PVDF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Отправляясь эксперимента ноги на определенной скорости. (a) отряд ноги от поверхности воды. (b) в реальном времени адгезии сила измеряется датчиком фильм PVDF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: теоретическая модель водного долгонога ноги, отходя от поверхности воды. Эта модель демонстрирует, что seta является изгиб пилинг от поверхности воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Таблица 1: пик силы сцепления измеряется на разных скоростях подъема. Сила сцепления резко снижается от 0.10 μN до 0.03 μN с увеличением подъема скорость от 0.01 м/сек до 0,3 м/сек.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В настоящем Протоколе динамичной силой измерения системы, основанной на датчик фильм PVDF была успешно разработана, собрал, откалиброван для измерения силы сцепления от поверхности воды. Среди всей шаги, важно, что сила сцепления была измерена на разных скоростях, подняв ноги от поверхности воды как данное исследование сосредоточено на замечательной особенностью быстрого маневрирования на воде. Результаты вылетающие эксперимента показали, что силы сцепления снизилась, когда увеличилась скорость подъема. Эти пояснил, что вода Страйдеры будет чувствовать себя спокойно, если они переехали на высокой скорости на воде.
Метод измерения на основе PVDF динамичной силой является важным дополнением к традиционным методом. В предыдущих исследований, силы сцепления Страйдеры воды в процессе отряд был обычно измеряется атомно-силового микроскопа (AFM) в квази-статических режиме. По сравнению с AFM метод, несмотря на что точность измерения слегка уступает, PVDF фильм датчик способен измерить силу больше макроскопических объектов. Кроме того из-за его большой Частотный ответ характеристики, датчик фильм PVDF можно измерить динамического взаимодействия между ног и водной поверхности в то время как AFM может использоваться только в квази-статических условиях и наоборот.
Предложенный метод для измерения динамической силы ограничивается только микро сил может оцениваться. Если мы применили крупные силы на оборванных датчик, это вызовет значительные деформации PVDF фильм датчик, который может привести к неточным результатам. Кроме того чувствительной области датчика PVDF фильм был небольшой, которая ограничивает размер объекта. Однако в отличие от обычных метод, предложенный метод смог измерить динамические силы, вместо того чтобы просто измерить статической силы, который может выставлять процесс весь взаимодействия.
Этот метод на основе PVDF фильм датчик имеет широкое применение во многих областях из-за его высокой чувствительностью в динамичной силой зондирования и замечательной гибкости. Например, она привлекла большое внимание к приложению в структурной работоспособностью путем наблюдения за ответ зданий под вибрации или больших движений27,28. Кроме того PVDF фильм датчики используются непосредственно измерить взаимодействие между двумя невязкого капельки в Сращивание процесс, в котором механики жидкости не был полностью поняли. Кроме того датчик фильм PVDF также играет важную роль в тактильных зондирования в роботов29. Датчик встраивается в робота пальцев для измерения контактные силы, а также контактные температуры объекта. В области биологических исследований датчики на основе PVDF силы помочь улучшить показатель успеха одной ячейки манипуляции, например, инъекции и генной терапии ДНК, через точные механические обратной связью с высокой чувствительностью.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Автор не имеет ничего, чтобы раскрыть.
Acknowledgments
Авторы благодарят национальных ключевых технологий программа исследований и разработок министерства науки и технологии Китая (№ 2011BAK15B06) за их поддержку. Спасибо Шуя Чжуан, который является студентом мастер от нашей лаборатории для помогая нам завершить снимать видео.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
References
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698 (2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
