Summary
O protocolo aqui é dedicado a investigar o livre e rápida manobra de strider da água na superfície da água. O protocolo inclui observar a microestrutura de pernas e medir a força de adesão quando partem da superfície da água em diferentes velocidades.
Abstract
Este estudo teve como objetivo fazer uma explicação para o fenômeno na natureza que strider da água geralmente pula ou desliza sobre a superfície da água facilmente, mas rapidamente, com sua locomoção de pico de velocidade atingindo 150 cm/s. Em primeiro lugar, observamos a microestrutura e a hierarquia das pernas de strider da água usando o microscópio eletrônico de varredura. Com base na morfologia observada das pernas, foi estabelecido um modelo teórico do destacamento da superfície da água, que explicou a capacidade dos striders água para deslizar na superfície da água sem esforço em termos de redução de energia. Em segundo lugar, um sistema de medição de força dinâmica foi concebido utilizando o medidor de película PVDF com excelente sensibilidade, que poderia detectar o processo de interação toda. Posteriormente, um único pé em contacto com a água foi puxado para cima em diferentes velocidades, e a força de adesão foi medida ao mesmo tempo. Os resultados do experimento partido sugeriram uma compreensão profunda do pulo rápido de striders da água.
Introduction
Na natureza, água striders possui notável capacidade de saltar ou deslizam facilmente e rapidamente sobre a superfície da água com a ajuda das pernas delgadas e nonwetting1,2,3,4,5, mas raramente se movem lentamente, que é ao contrário os insetos terrestres. A estrutura hierárquica de água strider estabiliza o estado de superhydrophobic, que processa a dramática redução no esforço de aderência e área de contacto entre a água e a perna6,7,8, 9. no entanto, as vantagens hidrodinâmicas da retirada rápida de striders da água da superfície da água permanecem mal interpretado10,11,12.
O processo de saltar da superfície da água principalmente é dividido em três etapas13,14,15,16. Em primeiro lugar, água striders empurre para baixo a superfície da água com as pernas meio e traseiras para converter a energia biológica para a energia de superfície da água até afundar até a profundidade máxima, que permitem que o inseto inicializar a direção pula e determinar a velocidade de desmontar. Seguido pela fase ascendente, o inseto é empurrado para cima pela força capilar a curva da superfície da água até atingir a velocidade máxima. Na fase final de retirada, o strider da água continua a levantar-se pela inércia até quebrar longe da superfície da água, mas a velocidade é reduzida em grande parte devido a força de adesão com a água, que tem a principal influência sobre o consumo de energia da strider da água. Este protocolo propõe-se, portanto, para medir a força de adesão a diferentes velocidades de decolagem na fase de retirada e explicar a característica distinta de mover-se rápido.
Tem havido muitos estudos para explorar a força de adesão da água striders quando propelindo da superfície da água. Lee & Kim teoricamente e experimentalmente confirmou que a força de adesão e a energia necessária elevação pernas do strider água diminuiu drasticamente quando o ângulo de contacto aumentada para 160 graus17. Pan Jen Wei projetado um experimento de hidrostático para medir a força de adesão pelo sistema TriboScope, que foi encontrado para ser 1/5 do seu peso, 18. Kehchih Hwang analisou o processo quase estático das pernas desanexação da água com um modelo 2D e encontrei que o superhydrophobicity das pernas desempenhou um papel significativo na redução da adesão força e energia dissipação19. No entanto, a medição da força de adesão em estudos anteriores foi apenas na condição de um processo quase estático, que foi incapaz de monitorar as mudanças de força de adesão durante o salto rápido.
Neste estudo, nós projetamos um sistema de medição de força dinâmica usando polivinilideno fluoreto (PVDF) filme sensor e outro instrumento adjuvante. Comparado com outros materiais piezoelétricos, PVDF é mais apropriado para medir o microforce dinâmico com maior sensibilidade20,21,22. Integrando o sensor de película PVDF no sistema, a força de adesão em tempo real pode ser detectada e processada quando a perna estava puxando para cima de água de superfície23,24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. observação da estrutura de superfície na perna de Strider da água
- Colete água striders de lagoas de água doce locais, usando a rede de aterragem de pesca.
- Corte pelo menos 5 pares de pernas meio como amostras experimentais, usando a tesoura. Toque a parte inferior das pernas com cuidado, para evitar a contaminação de superfície e o desintegrador de microestrutura na frente de pernas.
- Seca as pernas no ar, naturalmente.
- Observe a microestrutura superficial das pernas usando um microscópio eletrônico de varredura com resolução de nível micro, como mostrado na Figura 1um.
- Observe o microsetae das pernas usando um microscópio de elétrico com nano-níveis de resolução, conforme mostrado naFigura 1b.
2. prepare o componente do sistema de medição de força dinâmica
- Comprar um sensor de filme PVDF com uma dimensão de 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, que produz mais de 10 mV por microtensão.
Nota: O sensor de película PVDF é usado para sentir a força de contacto dinâmica com alta sensibilidade. - Comprar um amplificador de carga com ganho de carga máximo 1000 mV/pC e baixo ruído inferior a 5 μV.
Nota: O amplificador de carga é utilizado para ampliar o sinal do sensor de película de PVDF, em que a saída de carga do transdutor é convertida para uma tensão. - Compra um dispositivo de aquisição de dados, em que a entrada analógica tem as taxas de amostra em um intervalo de 1 s/s 102.4 kS/s.
Nota: O dispositivo de aquisição de dados é usado para ler os dados de tensão do amplificador de carga e enviá-los para o computador para processamento adicional e exibir. - Compra de vários estágios de alta precisão de deslocamento e um servomotor.
Nota: As pernas partem de água em diferente velocidade impulsionada por servomotor. - Compra uma câmera CCD, cujo comprimento de foco é em um intervalo de 5 mm a 30 mm e taxa de quadros é 30 fps.
Nota: Esta câmera é usada para gravar e monitorar a deformação da superfície da água e a distância entre as pernas e a superfície da água. - Prepare um computador de alto desempenho.
3. montagem de todas as partes do sistema de medição de força dinâmica
- Monte o sistema de medição de força dinâmica, de acordo com a ilustração esquemática mostrada na Figura 2uma e o instrumento de experiência real mostrado na Figura 2b.
- Consertar um dos lados do sensor de película de PVDF com os eléctrodos para a fase de deslocamento de alta precisão, que é colocado no quadro horizontal, como o outro lado está pendurado. Este método de instalação do sensor de película PVDF ajuda a melhorar a resolução da medição para a força dinâmica do micro.
- Conecte o sensor de película PVDF com o amplificador de carga, o amplificador de carga para o dispositivo de aquisição de dados e o dispositivo de aquisição de dados para o computador.
- Conserte a câmera para a fase de alta precisão de deslocamento, que é colocada no lado esquerdo do sensor de película PVDF.
- Para aproximadamente ajustar a distância entre as pernas e a água rapidamente, arrumar um estágio de alta precisão de deslocamento para o quadro acima o sensor de película PVDF, cuja separação do sensor de película de PVDF é cerca de 10 cm.
- Para levantar a perna longe da superfície da água a uma velocidade precisa, conserte o servomotor abaixo do palco de alta precisão de deslocamento.
4. calibração do sistema de medição de força dinâmica
- Usar o sistema de força eletrostática26 para gerar uma força constante de micro atuou na extremidade livre do sensor de película PVDF, cuja magnitude deve ser menos de 0.5 µN. controlar a força eletrostática do sistema por uma tensão aplicada aos eletrodos internos e exteriores do capacitor cilíndrico igualado.
Atenção: A força deve agir em uma direção normal à superfície de película PVDF e o ponto de aplicação é suposto para ser tão próximo quanto possível para a ponta do sensor de película de PVDF para aumentar a sensibilidade. - Liberte a força em um tempo curto para gerar uma entrada de passo.
- Ler o sinal de tensão-tempo da etapa 4.2 no computador utilizando o software LabVIEW, que ajuda ler os sinais de tensão de saída do sensor de película de PVDF.
- Baixe o software LabVIEW e o driver de hardware NI-DAQmx no site oficial da National Instruments.
- Abra o demo da medição contínua tensão analógica usando o LabVIEW, como mostra a Figura 3.
- Selecione o canal físico do dispositivo de aquisição de dados conectados com o amplificador de carga no módulo de Configurações de canal.
- Defina a taxa de amostra de 100000 e o número de amostras a 100000 no módulo de Configurações de temporização.
- Selecione o Log e leitura como o modo de log e escrever o caminho do arquivo para armazenar os dados de tensão no módulo de Configurações de log.
- Não selecione nenhum gatilho no módulo de Configurações de gatilho.
- Clique no botão de seta-forma na barra de ferramentas para o sinal de tensão da amostra.
- Analise a curva de tensão, em que o pico de tensão é correspondente para forçar agiu no sensor.
- Repita as etapas de 4,1-4,4 na entrada de força diferentes, em que uma série de pontos de tensão-força são ganhadas.
- Determine a relação sobre o pico de tensão de saída e o padrão força no resultado da calibração.
5. medição de força de adesão a uma certa velocidade
- Coloque uma gota de água (5 µ l) na extremidade livre do sensor de película de PVDF usando uma micropipeta mecânica.
Nota: A localização da gota deve ser próximo a ponta do sensor de película de PVDF. - Enfiar uma perna única para o servomotor abaixo do palco de alta precisão de deslocamento.
- Mova o estágio de alta precisão de deslocamento para baixo até os contatos de perna com a superfície da água, como mostrado na Figura 4um. Monitore a distância entre a superfície de perna e água por sistema de câmera montada no lado esquerdo do sensor.
- Levante a perna afastada da superfície da água a uma velocidade constante através do servo motor.
- Calcular a força correspondente a cada ponto da curva de tensão do processo de partida, com o modelo estabelecido na etapa 4.6 e em seguida, desenhe a curva força-tempo de partida do processo, conforme mostrado na Figura 4b.
- Recorde a adesão de pico do processo de partida a uma certa velocidade.
6. medição de força de aderência em velocidades diferentes.
- Alterar a velocidade de levantamento das pernas por servomotor e medir a força de adesão de acordo com a etapa 5.
- Traça a força de adesão contra o levantamento de curva de velocidade usando os dados que obteve na etapa 6.1.
- Analise a relação entre a força de adesão e a velocidade de levantamento através da curva.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
A relação entre força de aderência e velocidade de levantamento é mostrada na tabela 1. Aumenta a velocidade do levantamento de 0,01 m/s a 0,3 m/s, force a adesão entre a água superfície e perna diminui drasticamente a partir de 0,10-0,03. Os resultados do experimento partido mostraram que a força de adesão máxima iria diminuir drasticamente, como o aumento de velocidade do levantamento, que indicou que os striders da água pode se sentir confortáveis se movem-se rapidamente na superfície da água.
Neste trabalho, é estabelecido um modelo das pernas partem da superfície da água com base na microestrutura das pernas e a forma das cerdas, que poderia elucidar o mecanismo de fácil saltar da superfície da água com redução de baixa energia. A seta de pernas foi um post cônico com fina parte dianteira e parte traseira extremamente grossa, como mostrado na Figura 1, que resultou na rigidez da parte dianteira muito menor do que o traseiro. Assim, parte da frente da seta tende a dobrar-se facilmente, enquanto a traseira que não devido a excelente rigidez. Quando a perna foi puxada longe da água, as cerdas na perna pode ser dobradas como resultado da força de adesão e finalmente ser vertical à superfície da água, conforme mostrado na Figura 5. Água que caem ao longo as sedas naturalmente com dissipação de baixa energia, que poderia ser negligenciada. A dobra da seta reduziria a linha contato significativamente a um círculo com diâmetro de 0,2 m e a redução de energia pode ser expresso como:
onde, y foi o coeficiente de tensão superficial, 72 mJ/m2 e D foi o diâmetro da ponta da seta, respectivamente. Portanto, as água striders pode saltar na água facilmente.
A relação entre a força de adesão e velocidade de levantamento foi interpretada completamente através de modelo de partida anterior. De acordo com a conservação de energia, a energia total da água levantada devido a força de adesão foi aproximadamente igual à redução de energia da perna Ediss. Neste modelo, Ediss era constante em diferentes velocidades de elevação. Assim, a energia da água puxada para cima, incluindo a energia potencial Ep e a energia cinética Ek, era imutável. A alta velocidade de levantamento levará para a pequena energia potencial Ep e grande energia cinética Ek. Portanto, como aumentar a velocidade de levantamento, a força de adesão, proporcional à energia potencial Ep, diminuiria drasticamente.
Figura 1: O strider água nonwettingpernas. as cerdas na perna superhydrophobic. (b) os nanoescala sulcos sobre as cerdas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: sistema de medição de força dinâmica. (a) a ilustração esquemática do sistema de medição de força dinâmica é composta por um sensor de filme PVDF, uma câmera CCD, um amplificador de carga, um dispositivo de aquisição de dados e um computador. (b) o instrumento de experiência real do sistema de medição de força dinâmica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : O painel frontal do demo da medição contínua tensão analógica. A demo do LabVIEW é usado para sinais de tensão de amostra do sensor de película de PVDF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : O experimento partindo das pernas em uma certa velocidade. o desprendimento das pernas longe da superfície da água. força de (b) a adesão em tempo real medida pelo sensor de película de PVDF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: modelo teórico da perna do strider da água, partindo da superfície da água. Este modelo demonstra que a seta é dobra descamação longe da superfície da água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: a força de adesão de pico medido em diferentes velocidades de elevação. A força de adesão diminui drasticamente de 0,10 μN para 0,03 μN com um aumento de velocidade de m/s 0,01 a 0,3 m/s de levantamento.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Neste protocolo, um sistema de medição de força dinâmica baseado no sensor de película de PVDF foi com êxito concebeu, montado, calibrado para medir a força de adesão longe da superfície da água. Entre as etapas de toda, que era crucial que a força de adesão foi medida em diferentes velocidades, levantando a perna da superfície da água, como este estudo centrou-se a característica marcante de manobras rápidas sobre a água. Os resultados de partida a experiência mostraram que a força de adesão diminuiu quando aumentou a velocidade de levantamento. Estas esclareceu que os striders da água iria sentir relaxado se mudaram-se em alta velocidade na água.
O método de medição de força dinâmica baseada em PVDF é um importante complemento ao método tradicional. Em últimos estudos, a força de adesão dos striders da água no processo de desprendimento geralmente foi medida por microscópio de força atômica (AFM) em um modo quase estático. Em comparação com o método AFM, apesar de que a precisão da medição é ligeiramente inferior, o sensor de película PVDF é capaz de medir a força de maiores objetos macroscópicos. Além disso, devido às suas características de resposta de frequência grande, o sensor de película PVDF pode medir a interação dinâmica entre as pernas e a superfície da água, enquanto o AFM pode ser usado apenas na condição de quase estática inversamente.
O método proposto para medir a força dinâmica foi confinado naquela única microforça poderia ser aferido. Se aplicamos uma grande força para o sensor de oscilação, causaria uma deformação considerável do sensor de película de PVDF, que conduzam a resultados imprecisos. Além disso, a área sensível do sensor de película de PVDF era pequena, o que limita o tamanho do objeto medido. No entanto, em contraste com o método convencional, o método proposto foi capaz de medir a força dinâmica, ao invés de apenas medir a força estática, que poderia expor o processo de interação toda.
Este método baseado no sensor da película de PVDF tem amplas aplicações em muitas áreas devido a sua alta sensibilidade na detecção e notável flexibilidade de força dinâmica. Por exemplo, tem sido atraído muita atenção para a aplicação no monitoramento de integridade estrutural, monitorando a resposta dos edifícios sob a vibração ou grandes movimentos de27,28. Além disso, os sensores de película PVDF são usados para medir diretamente a interação entre duas gotas invíscidas em processo de coalescência, no qual a mecânica dos fluidos não foram totalmente compreendidos. Além disso, o sensor de película PVDF também desempenha um papel importante em sensoriamento tátil nos robôs29. O sensor é incorporado na ponta dos dedos do robô para medir a força de contato, bem como a temperatura de contacto de um objeto. No campo da pesquisa biológica, sensores de força baseados em PVDF ajudam a melhorar a taxa de sucesso da manipulação única célula, como a terapia da injeção e gene DNA, através do controle de gabarito mecânicos precisos com alta sensibilidade.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
O autor não tem nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores graças a pesquisa nacional de tecnologia de chave e o programa de desenvolvimento do Ministério da ciência e tecnologia da China (n. º 2011BAK15B06) pelo seu apoio. Agradece o Shuya Zhuang que é um estudante de mestre do nosso laboratório por nos ajudar a completar a gravação do vídeo.
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).
