Summary
Das Protokoll hier widmet sich der Untersuchung die kostenlose und schnelle Manöver von Wasser Strider auf Wasseroberfläche. Das Protokoll enthält die Mikrostruktur der Beine Beobachtung und Messung der Haftkraft bei Abflug aus Wasserfläche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Abstract
Dieser Studie zielte darauf ab, einer Erklärung für das Phänomen in der Natur, dass Wasser Strider machen in der Regel springt oder auf dem Wasser gleitet, leicht aber sehr schnell, mit seiner Spitze Fortbewegung bis 150 cm/s zu beschleunigen. Zunächst einmal haben wir beobachtet die Mikrostruktur und die Hierarchie des Wasser Strider Beine mit dem Rasterelektronenmikroskop. Auf der Grundlage der beobachteten Morphologie der Beine entstand ein theoretisches Modell der Ablösung von der Wasseroberfläche, die erklärt Wasserläufer Fähigkeit, gleiten auf der Wasseroberfläche mühelos in Bezug auf die Senkung des Energieverbrauchs. Zweitens wurde eine dynamische Kraft-Mess-System entwickelt, mit dem PVDF Film Sensor mit exzellenten Empfindlichkeit, die der gesamten interaktionsprozess erkennen konnte. Anschließend ein einzelnes Bein mit Wasser in Berührung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten nach oben gezogen wurde, und die Haftkraft wurde zur gleichen Zeit gemessen. Die Ergebnisse des scheidenden Experiments vorgeschlagen ein tiefes Verständnis für das schnelle springen der Wasserläufer.
Introduction
In der Natur besitzen Wasserläufer bemerkenswerte Fähigkeit zu springen oder gleiten leicht und rasch auf die Wasseroberfläche mit Hilfe der Beine schlank und nonwetting1,2,3,4,5, aber selten bewegen sich langsam, das ist im Gegensatz zu den terrestrischen Insekten. Die hierarchische Struktur des Wasser Strider stabilisiert den superhydrophob Zustand, der drastische Reduktion im Bereich und Adhäsion Kontaktkraft zwischen Wasser und das Bein6,7,8, macht 9. jedoch die hydrodynamische Vorteile der schnelle Rückzug der Wasserläufer von der Wasseroberfläche bleiben schlecht interpretierte10,11,12.
Der Prozess der Sprung von der Wasseroberfläche gliedert sich hauptsächlich in drei Stufen13,14,15,16. Am Anfang drücken Wasserläufer die Wasseroberfläche nach unten mit den mittleren und hinteren Beinen die biologische Energie in die Oberflächenenergie des Wassers bis auf die maximale Tiefe sinken konvertieren, die es ermöglichen das Insekt die Sprung Richtung zu initialisieren und bestimmen die trennen Geschwindigkeit. Gefolgt von der aufsteigenden Phase, ist das Insekt nach oben durch die Kapillare Kraft der gebogenen Wasseroberfläche gedrückt bis zum Erreichen der maximalen Geschwindigkeit. In der endgültigen Rückzug Stufe das Wasser Strider durch Trägheit bis Loslösung von der Wasseroberfläche steigen weiterhin, aber die Geschwindigkeit ist weitgehend durch die Haftkraft reduziert mit dem Wasser hat wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch der Wasser Strider. Daher wird dieses Protokoll vorgeschlagen, die Haftkraft bei verschiedenen Start-Geschwindigkeiten in der Phase des Rückzugs zu messen und erklären die unterschiedliche Charakteristik des schnelllebigen.
Es wurden viele Studien, die Klebekraft der Wasserläufer zu erkunden, wenn von der Wasseroberfläche treibt. Lee & Kim bestätigt theoretisch und experimentell, dass die Klebekraft und Energie, dass das Wasser Strider Beine heben dramatisch abgenommen erforderlich, wenn der Kontaktwinkel auf 160 Grad17erhöht. Pan Jen Wei entwickelt eine hydrostatische Experiment, um die Klebekraft durch das TriboScope-System zu messen, die gefunden wurde, zu 1/5 der Gewicht 18. Kehchih Hwang analysiert die quasistatischen Prozess der Beine aus dem Wasser mit einem 2D-Modell abnehmen und gefunden, dass die Superhydrophobicity der Beine spielte eine bedeutende Rolle bei der Verringerung der Adhäsion Kraft und Energie Ableitung19. Die Messung der Haftkraft in früheren Studien war jedoch nur in einem Zustand der ein quasi-statischen Prozess, der nicht imstande war, die Adhäsion Kraftänderungen während das schnelle springen zu überwachen.
In dieser Studie haben wir eine dynamische Kraft-Mess-System mit Polyvinylidene Fluorid (PVDF) Film Sensor und andere adjuvante Instrument entwickelt. Im Vergleich mit anderen piezoelektrischen Materialien, ist PVDF besser geeignet für die Messung der dynamischen Microforce mit höherer Empfindlichkeit20,21,22. Von PVDF Film Sensor in das System integriert, könnte die Echtzeit-Haftkraft erkannt und verarbeitet, wenn das Bein vom Wasser Oberfläche23,24,25hochziehen war.
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Protocol
(1) Beobachtung der Oberflächenstruktur auf Wasser Strider Bein
- Wasserläufer aus lokalen Süßwasser Teichen mit Fischen Kescher zu sammeln.
- Mindestens 5 mittleren Beinpaare als experimentellen Proben mit einer Schere abgeschnitten. Berühren Sie die Unterseite der Beine sorgfältig, um die Oberflächenkontamination und Mikrostruktur an der Vorderseite Beine zu stören zu vermeiden.
- Trocknen Sie die Beine an der Luft.
- Beobachten Sie die Oberfläche Mikrostruktur der Beine mit ein Rasterelektronenmikroskop mit Mikro-Ebene Auflösung, wie in Abbildung 1einegezeigt.
- Beobachten Sie die Microsetae der Beine mit elektrischen Rastermikroskop mit Nano-Ebene Auflösung, wie inAbbildung 1bgezeigt.
2. bereiten Sie die Komponente des Messsystems dynamische Kraft
- Kauf einen PVDF Film Sensor mit einer Dimension von 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, produziert mehr als 10 mV pro Mikro-Stamm.
Hinweis: Der PVDF-Film-Sensor wird verwendet, um die dynamische Kontaktkraft mit hoher Empfindlichkeit zu spüren. - Erwerben Sie Ladungsverstärker mit 1000 mV/pC kostenlos Maximalgewinn zu und niedrige Rauschen Sie weniger als 5 μV.
Hinweis: Der Ladungsverstärker wird verwendet, um das Signal vom Sensor PVDF Film, zu vergrößern, in dem der Ladeausgang aus dem Wandler, in eine Spannung umgewandelt wird. - Kaufen ein Datenerfassungsgerät, in denen der Analogeingang die Sample-Raten in einem Bereich von 1 hat s bis 102.4 kS/s/s.
Hinweis: Das Datenerfassungsgerät dient zum Auslesen der Spannung der Ladungsverstärker und senden Sie sie an die Computer zur weiteren Verarbeitung und anzeigen. - Kaufen Sie präzise Verschiebung mehrstufig und einen Servomotor.
Hinweis: Die Beine fahren von Wasser bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Servomotor angetrieben. - Kauf einer CCD-Kamera, deren Brennweite in einem Bereich von 5 mm bis 30 mm und Frame-Rate ist beträgt 30 fps.
Hinweis: Diese Kamera dient zum Aufzeichnen und überwachen die Verformung der Wasseroberfläche und der Abstand zwischen den Beinen und Wasseroberfläche. - Bereiten Sie einen High-Performance-Computer.
3. Zusammenbau aller Teile des dynamischen Kraft-Messsystems
- Montieren Sie die dynamische Kraft-Mess-System nach der schematische Darstellung in Abbildung 2ein und das echte Experiment Instrument dargestellt in Abbildung 2bgezeigt.
- Beheben Sie einseitig die PVDF Film Sensor mit den Elektroden auf die präzise Verschiebung-Bühne, die auf der horizontalen Rahmen platziert wird, wie andere Seite hängt. Diese Installationsmethode von PVDF Film Sensor verbessert die Auflösung der Messung für die dynamische Mikro Kraft.
- PVDF Film Sensor an der Ladungsverstärker, Ladungsverstärker, das Datenerfassungsgerät und das Datenerfassungsgerät an den Computer anschließen.
- Befestigen Sie die Kamera auf die präzise Verschiebung-Bühne, die auf der linken Seite des PVDF Film Sensor platziert wird.
- Etwa stellen den Abstand zwischen die Beine und das Wasser schnell, eine präzise Verschiebung Bühne am Rahmen über dem PVDF Film Sensor zu beheben, ist deren Trennung vom PVDF Film Sensor ca. 10 cm.
- Um das Bein Weg von der Wasseroberfläche mit einer präzisen Geschwindigkeit aufzuheben, Befestigen der Servomotor unter der Bühne präzise Verschiebung.
4. Kalibrierung des Messsystems dynamische Kraft
- Verwenden Sie die elektrostatische Kraft System26 generieren eine Mikro-Konstante Kraft wirkte auf das freie Ende des PVDF Film Sensor, deren Größe weniger als 0,5 µN kontrollieren Sie die elektrostatische Kraft des Systems durch eine Spannung, die auf die inneren und äußeren Elektroden aufgebracht werden sollten die parallelgeschalteten zylindrischer Kondensator.
Achtung: Sollte die Kraft in einer Richtung senkrecht zur Fläche PVDF Film wirken und der Punkt der Anwendung so nah wie möglich an der Spitze des PVDF Film Sensor Empfindlichkeit erhöhen soll. - Lassen Sie die Kraft in kurzer Zeit zu einer Step-Input zu generieren.
- Lesen Sie die Spannung-Zeitsignal der Schritt 4.2 auf dem Computer mit der Software LabVIEW, wodurch die Spannung Ausgangssignale des Sensors PVDF Film lesen.
- Laden Sie die Software LabVIEW und die Hardware-Treiber NI-DAQmx in der offiziellen Website von National Instruments.
- Rufen Sie die Demo der Dauerspannung analoge Messung mit dem LabVIEW als gezeigt Abbildung 3.
- Wählen Sie den physikalischen Kanal das Datenerfassungsgerät verbunden mit der Ladungsverstärker im Modul der Kanaleinstellungen.
- Legen Sie die Abtastrate auf 100000 und die Anzahl der Samples auf 100000 im Modul der Timing-Einstellungen.
- Wählen Sie das Protokoll und lesen als den Protokollierungsmodus und schreiben Sie den Pfad der Datei zum Speichern der Spannung-Daten in das Modul des Logging-Einstellungen.
- Wählen Sie keine Trigger Modul des Trigger-Einstellungen.
- Klicken Sie auf die Pfeil-Form-Schaltfläche in der Symbolleiste das Spannungssignal zu probieren.
- Analysieren Sie die Spannungskurve, in denen die Spitzenspannung entsprechend ist, erzwingen, gehandelt auf dem Sensor.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.1-4.4 bei verschiedenen Krafteingabe, in dem eine Reihe von Spannung-Force-Punkte gesammelt werden.
- Bestimmen Sie die Beziehung über die Ausgabe Spitzenspannung und standard Kraft in das Ergebnis der Kalibrierung.
5. Messung der Haftkraft bei einer bestimmten Geschwindigkeit
- Das freie Ende der PVDF-Film-Sensor mit einer mechanischen Mikropipette setzen Sie ein Wassertropfen (5 µL auf).
Hinweis: Der Speicherort der die Tröpfchen sollte in der Nähe der Spitze des Sensors PVDF Film sein. - Kleben Sie eine einzelne Bein auf der Servomotor unter der Bühne präzise Verschiebung.
- Verschieben Sie die präzise Verschiebung Phase nach unten bis die Bein-Kontakte mit der Wasseroberfläche, wie in Abbildung 4ein. Den Abstand zwischen den Bein und Wasseroberfläche durch das Kamerasystem montiert auf der linken Seite des Sensors zu überwachen.
- Heben Sie das Bein von der Wasseroberfläche mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Servomotor.
- Berechnen Sie die Kraft, jeden Punkt der Spannungskurve des scheidenden Prozesses unter Verwendung des Modells gegründet Schritt 4.6 entspricht, und zeichnen Sie dann die Kraft-Zeit-Kurve der Abfahrt Prozess, wie in Abbildung 4bdargestellt.
- Die Peak-Haftung des scheidenden Prozesses mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufnehmen.
6. Messung der Haftkraft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
- Ändern Sie der Hubgeschwindigkeit der Beine von der Servomotor und Messen Sie die Klebekraft nach Schritt 5.
- Plot der Klebekraft versus heben Geschwindigkeitskurve unter Verwendung der Daten in Schritt 6.1 gewonnen.
- Analysieren Sie die Beziehung zwischen der Klebekraft und die anhebende Geschwindigkeit durch die Kurve.
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Representative Results
Das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Adhäsion Hubkraft ist in Tabelle 1dargestellt. Wenn die Hubgeschwindigkeit von 0,01 m/s bis 0,3 m/s erhöht, die Haftung zwischen der Wasser Oberfläche und Bein sinkt dramatisch von 0,10 bis 0,03 zwingen. Die ausscheidenden Experiment ergab, dass Haftung Spitzenkraft dramatisch wie die anhebende Geschwindigkeit zu erhöhen,, die zeigten verringern würde, dass die Wasserläufer wohlfühlen können, wenn sie schnell auf der Wasseroberfläche zu bewegen.
In diesem Papier ist ein Modell der Beine ab Wasseroberfläche basierend auf die Mikrostruktur der Beine und die Form der Borsten gegründet, die könnte den Mechanismus einfach springen von der Wasseroberfläche mit Senkung des niedrigen Energieverbrauchs aufzuklären. Seta Beine war eine konische Post mit den vorderen Teil dünn und extrem dick, hinten, wie in Abbildung 1, führte zu die Steifigkeit des vorderen Teils deutlich niedriger als die Rückseite. Der vordere Teil der Seta tendenziell so leicht, biegen, während die Rückseite nicht durch die ausgezeichnete Steifigkeit Tat. Wenn das Bein vom Wasser gezogen wurde, die Borsten am Bein würde durch die Haftkraft gebogen werden und schließlich senkrecht auf der Wasseroberfläche wie in Abbildung 5dargestellt. Wasser fiele entlang der Borsten natürlich mit geringen Energieverlust, das vernachlässigt werden könnte. Die Biegung der Seta würde senken die Oberleitung zu einem Kreis mit Durchmesser von 0,2 m und die Senkung des Energieverbrauchs könnte ausgedrückt werden als:
wo, y Oberflächenspannung Koeffizient, 72 mJ/m2 und D wurde der Durchmesser der Seta Spitze, beziehungsweise. Daher kann der Wasserläufer leicht ins Wasser springen.
Das Verhältnis zwischen der Klebekraft und Hubgeschwindigkeit wurde gründlich durch abfliegende Vorgängermodell interpretiert. Nach der Erhaltung der Energie entsprach die Gesamtenergie der angehobene Wasser durch die Haftkraft ca. die Senkung des Energieverbrauchs des Beines EDiss. In diesem Modell war die E-Diss konstant bei verschiedenen Hubgeschwindigkeit. Somit war die Energie des Wassers hochgezogen, einschließlich die potentielle Energie Ep und der kinetischen Energie Ek, unveränderlich. Die hohe Hubgeschwindigkeit führt zu kleinen potentielle Energie Ep und große kinetische Energie Ek. Aus diesem Grund wie der Hubgeschwindigkeit, die Haftkraft, proportional zur Energie Ep erhöht, würde drastisch verringern.
Abbildung 1: das nonwetting Wasser StriderBeine. (a) die Borsten am superhydrophob Bein. (b) die nanoskaligen Rillen auf den Borsten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: die dynamische Kraft-Mess-System. (a) die schematische Darstellung der dynamischen Kraft-Mess-System besteht aus einem PVDF Film Sensor, einer CCD-Kamera, einem Ladungsverstärker, ein Datenerfassungsgerät und einen Computer. (b) der realen Experiment Instrument des Messsystems dynamische Kraft. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Die Frontplatte der Demo von der kontinuierlichen analogen Spannungsmessung. Die Demo von der LabVIEW wird zum Beispiel Spannungssignale von PVDF Film Sensor verwendet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Der scheidende Experiment der Beine mit einer bestimmten Geschwindigkeit. (a) die Ablösung der Beine Weg von der Wasseroberfläche. (b) die Echtzeit-Haftung Kraft gemessen an PVDF Film Sensor. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: theoretisches Modell das Wasser Strider Bein ausgehend von der Wasseroberfläche. Dieses Modell zeigt, dass der Seta, Peeling Weg von der Wasseroberfläche verbiegt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Tabelle 1: Adhäsion Spitzenkraft gemessen an verschiedene Hubgeschwindigkeiten. Die Klebekraft sinkt dramatisch von 0,10 μN auf 0,03 μN mit einem Zuwachs von Hubgeschwindigkeit von 0,01 m/s bis 0,3 m/s.
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Discussion
In diesem Protokoll war eine dynamische Kraft-Mess-System basiert auf dem PVDF Film Sensor erfolgreich entwickelt, montiert, so kalibriert, dass um die Haftkraft von der Wasseroberfläche zu messen. Unter den ganzen Schritten war es entscheidend, dass die Haftkraft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen wurde, durch das Heben des Bein von der Wasseroberfläche als diese Studie konzentrierte sich auf die bemerkenswerte Eigenschaft der schnelle Manöver auf dem Wasser. Die Ergebnisse der abfliegenden Experiment zeigte, dass die Klebekraft verringert, wenn die anhebende Geschwindigkeit erhöht. Diese klargestellt, dass die Wasserläufer fühlen würde gelockert, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit auf dem Wasser bewegt.
Die PVDF-basierte dynamische Kraft-Messmethode ist eine wichtige Ergänzung zur traditionellen Methode. In wurde vorbei an Studien, die Klebekraft der Wasserläufer Ablösung dabei in der Regel durch das Rasterkraftmikroskop (AFM) in einem quasi-statischen Modus gemessen. Verglichen mit der AFM-Methode, trotz, dass die Messgenauigkeit ist etwas schlechter als der PVDF-Film-Sensor ist in der Lage, die Kraft der größeren makroskopischen Objekten zu messen. Darüber hinaus kann aufgrund ihrer großen Frequenzgänge PVDF Film Sensor messen die dynamische Wechselwirkung zwischen den Beinen und Wasseroberfläche während der AFM umgekehrt nur die quasi-statischen Zustand verwendet werden kann.
Die vorgeschlagene Methode für dynamische Kraftmessung beschränkt war, dass nur Mikro-Kraft könnte gemessen. Wenn wir eine große Kraft auf den baumelnden Sensor angewandt, würde es eine erhebliche Verformung des PVDF Film Sensors führen zu ungenauen Ergebnis führen würde. Darüber hinaus war der sensible Bereich der PVDF Film Sensor klein, die begrenzt der Größe des gemessenen Objekts. Konnte jedoch im Gegensatz zu der konventionellen Methode, die vorgeschlagene Methode zum Messen der dynamischen Kraft, anstatt nur messen die statische Kraft, die der gesamten interaktionsprozess ausstellen konnte.
Diese Methode basiert auf PVDF Film Sensor hat breite Anwendungen in vielen Bereichen aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit in dynamische Kraft Fernerkundung und bemerkenswerte Flexibilität. Beispielsweise hat es gezeichnet wurde viel Aufmerksamkeit auf die Anwendung in strukturellen Zustandsüberwachung durch die Überwachung der Antwort von Gebäuden unter die Vibration oder groß winkt27,28. Darüber hinaus dienen die PVDF Film Sensoren messen direkt die Interaktion zwischen zwei reibungsfreie Tröpfchen in Koaleszenz-Prozess, in dem die Strömungsmechanik nicht vollständig verstanden worden. PVDF Film Sensor spielt darüber hinaus auch eine wichtige Rolle in der taktile Sensorik in der Roboter-29. Der Sensor ist eingebettet in den Roboter Fingerspitzen um die Kontaktkraft sowie die Kontakttemperatur eines Objekts zu messen. Auf dem Gebiet der biologischen Forschung helfen PVDF-basierte Kraftsensoren, die Erfolgsquote der einzelnen Zelle Manipulation, wie DNA-Injektion und Gen-Therapie, durch die präzise mechanische Feedback-Kontrolle mit hoher Empfindlichkeit zu verbessern.
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Disclosures
Der Autor hat nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren danken National Key Technology Research and Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie von China (Nr. 2011BAK15B06) für ihre Unterstützung. Danke, Shuya Zhuang, Meisterschüler von unserem Labor für das helfen wir dem Videodreh zu vervollständigen ist.
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 |
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