Summary
Protokollen her er dedikert til undersøker det ledig og rask manøvrering av vann strider på vannflaten. Protokollen inneholder observere mikrostruktur ben og måle vedheft kraft når avgang fra vann-overflaten på ulike hastigheter.
Abstract
Denne studien å gjøre en forklaring på fenomenet i naturen som vann strider vanligvis hopper eller glir på vannflaten lett, men raskt, med sin topp bevegelse hastighet nå 150 cm/s. Først av alt, observerte vi mikrostruktur og hierarki av vann strider Ben bruker scanning elektron mikroskop. Basert på observerte morfologi av Ben, ble en teoretisk modell av avdeling fra vannflaten etablert, som forklart vann forening evne å skyve på vannflaten uanstrengt i energireduksjon. Dernest ble en dynamisk kraft målesystem utarbeidet PVDF film sensor med utmerket følsomhet, som kan oppdage hele samhandling prosessen. Deretter en enkelt etappe i kontakt med vann ble trukket oppover på ulike hastigheter, og vedheft styrken ble målt på samme tid. Resultatene av avgang eksperimentet foreslo en dyp forståelse av den raskt hoppe over vann forening.
Introduction
Natur har vann forening bemerkelsesverdig evne til å hoppe eller glir enkelt og raskt på vannflaten med hjelp av den slanke og nonwetting bein1,2,3,4,5, men sjelden flytte sakte, som er ulikt terrestriske insekter. Den hierarkiske strukturen for vann strider stabiliserer superhydrophobic staten, som gjengir dramatisk reduksjon i kontakt området og vedheft kraft mellom vann og etappe6,7,8, 9. etter fordelene med rask oppløsning av vann forening fra vann-overflaten beholdes imidlertid dårlig tolket10,11,12.
Prosessen med å hoppe fra vannflaten er hovedsakelig delt i tre stadier13,14,15,16. Først presse vann forening vannflaten nedover med midten og bakre ben å konvertere den biologiske energien til overflaten energien i vannet før synke til maksimal dybde, som aktiverer insekt å initialisere hopping retning og bestemme detaching hastigheten. Etterfulgt av stigende scenen, skyves insekt oppover av kapillær kraft av buet vannflaten fram den maksimale hastigheten. I den siste løsrivelse fasen, vann strider fortsetter å stige opp av treghet før bryte fra vannflaten, men hastigheten reduseres i stor grad på grunn av vedheft styrken med vannet, har som viktigste innflytelse på strømforbruket til den vann strider. Denne protokollen er derfor foreslått å måle vedheft på ulike avgang hastigheter løsrivelse Stadium og forklare den adskilt karakteristisk for beveger seg raskt.
Det har vært mange studier å utforske vedheft kraft vann forening når propelling fra vannflaten. Lee & Kim bekreftet teoretisk og eksperimentelt at vedheft force og energi nødvendig løfte vann strider's Ben redusert dramatisk når kontakt vinkelen økt til 160 grader17. Pan Jen Wei utformet en hydrostatisk eksperiment for å måle vedheft av TriboScope systemet, som ble funnet for å være 1/5 av vekt 18. Kehchih Hwang analysert kvasi-statisk prosessen med bena frakobling fra vannet med en 2D modell og fant superhydrophobicity av bena spilte en betydelig rolle i å redusere vedheft kraft og energi ødsling19. Måling av vedheft kraften i tidligere studier var imidlertid bare i tilstanden til en kvasi-statisk prosess, som klarte å overvåke vedheft force endringene under rask hopping.
I denne studien utviklet vi et dynamisk kraft målesystem bruker polyvinylidene fluor (PVDF) filmen sensor og andre adjuvant instrument. Sammenlignet med andre piezoelectric materialer, er PVDF mer egnet for å måle den dynamiske microforce med høyere følsomhet20,21,22. Ved å integrere PVDF film sensor i systemet, kan sanntid vedheft styrken oppdages og behandles når benet var trekke vann overflaten23,24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. observasjon av overflatestruktur på vann Strider Ben
- Samle vann forening fra lokale ferskvann dammer med fiske håv.
- Klipp av minst 5 par midten bein som eksperimentelle prøver ved hjelp av saks. Berør bunnen av bena nøye, for å hindre overflaten forurensning og forstyrre av mikrostruktur forsiden av bena.
- Tørre ben i luften naturlig.
- Observere at overflaten mikrostruktur Ben med en scanning elektron mikroskop med mikronivå oppløsning som vist i figur 1en.
- Observere microsetae av bena med skanning elektrisk mikroskop med nano-nivå oppløsning som vist ifigur 1b.
2. Forbered komponenten av dynamisk kraft målesystemet
- Kjøpe en PVDF filmen sensor med en dimensjon av 14,9 X 10.2 mm2 X 28 μm, som produserer mer enn 10 mV per mikro-belastning.
Merk: PVDF film sensor brukes å kjenne den dynamiske kontakte kraften med høy følsomhet. - Kjøp en kostnad forsterker med maksimalt 1000 mV/pC gratis gevinst og lav støy mindre enn 5 μV.
Merk: Gratis forsterkeren brukes til å forstørre signalet fra PVDF film sensor, der kostnad utdataene fra svinger konverteres til til en spenning. - Kjøpe en data oppkjøpet enhet, der analog input har samplingsfrekvenser i området fra 1 s/s 102.4 kS/s.
Merk: Data oppkjøpet enheten brukes til å lese spenning data avgift forsterkeren og sende dem til datamaskinen for videre behandling og vise. - Kjøpe flere høy-presis forskyvning etapper og en servomotor.
Merk: Bena går fra vann på ulike hastighet drevet av servomotor. - Kjøp en CCD kamera, lengden fokus er i området fra 5 mm til 30 mm og bildefrekvens er 30 fps.
Merk: Dette kameraet brukes til å registrere og overvåke deformasjon av vannflaten og avstanden mellom bena og vannflaten. - Forberede en høy ytelse datamaskinen.
3. montering av alle delene av dynamisk kraft målesystemet
- Samle målesystemet dynamisk kraft ifølge Mactac som vist i figur 2en og virkelig eksperiment apparatet vist i figur 2b.
- Fastsette ene PVDF film sensor med elektrodene til høy-presis forskyvning scenen, som er plassert på vannrette rammen, som andre siden henger. Denne installasjonsmetoden av PVDF filmen sensor bidrar til å forbedre oppløsningen på målene for den dynamiske mikro kraften.
- Koble PVDF film sensor til kostnad forsterkeren, gratis forsterkeren til data oppkjøpet enheten og dataene oppkjøpet enheten til datamaskinen.
- Fastsette kameraet til høy-presis forskyvning scenen, som er plassert på venstre side av PVDF filmen sensor.
- Omtrent justere avstanden mellom beina og vann raskt, fikse en høy-presis forskyvning scene til rammen over PVDF film sensor, er som separasjon fra PVDF film sensor ca 10 cm.
- For å løfte beinet fra vann-overflaten på en presis hastighet, fikse servomotor nedenfor scenen for høy-presis forskyvning.
4. kalibrering av dynamisk kraft målesystemet
- Bruk elektrostatisk force systemet26 å utvikle en mikro-konstant styrke handlet på gratis slutten av PVDF filmen sensor, som bør være mindre enn 0,5 µN. kontroll systemet elektrostatisk kraft av en spenning på indre og ytre elektrodene til paralleled sylindriske kondensatoren.
Forsiktig: Force bør handle i retning normal til PVDF filmen overflaten og poenget med programmet er ment for å være så nær som mulig til spissen av PVDF film sensor å øke følsomhet. - Slipp styrken på kort tid å generere en trinn-inngang.
- Les spenning-tidssignalet trinn 4.2 i datamaskinen bruker programvaren LabVIEW, som hjelper lese spenning utsignaler av PVDF film sensor.
- Last ned programvaren LabVIEW og maskinvaredriveren NI-DAQmx i den offisielle nettsted National Instruments.
- Åpne demonstrasjon av kontinuerlig analoge spenning måling med LabVIEW, som vist i Figur 3.
- Velg fysiske kanalen data oppkjøpet enheten med gratis forsterkeren i modulen av Kanalinnstillinger.
- Angi samplingsfrekvens 100000 og hvor å 100000 modulen Timinginnstillinger.
- Velg Logg og lese som du loggmodus og skrive filbanen i lagre spenning dataene i modulen av Logginnstillinger.
- Velg ingen utløser i modulen av Utløserinnstillingene.
- Klikk pilfiguren knappen på verktøylinjen for å prøve spenningen signalet.
- Analysere spenning kurven, som topp spenning tilsvarende for å tvinge handlet på sensoren.
- Gjenta trinnene 4.1-4.4 på ulike force inngang, der en rekke spenning-force poeng oppnås.
- Bestemme forholdet om peak utgangsspenning og standard kraft i kalibrering resultatet.
5. måling av vedheft kraft i en viss hastighet
- Plass en vanndråpe (5 µL) på gratis slutten av PVDF film sensor med mekanisk brønnene.
Merk: Plasseringen av slippverktøyet bør være nær spissen av PVDF film sensor. - Holde en enkelt etappe til servomotor nedenfor scenen for høy-presis forskyvning.
- Flytt høy-presis forskyvning scenen nedover til beinet kontaktene med vannflaten, som vist i Figur 4en. Overvåke avstanden mellom ben og vann overflaten av Kamerasystemet montert på venstre side av sensoren.
- Løft benet fra vannflaten med en konstant fart gjennom servomotor.
- Beregne tilsvarer hvert punkt spenning kurve av avgang prosessen ved hjelp av modellen i trinn 4.6, og tegn deretter force-tid kurven av avgang prosessen, som vist i Figur 4b.
- Registrere peak vedheft av avgang på en viss hastighet.
6. måling av vedheft kraft på ulike hastigheter.
- Endre løfte hastigheten på bena av servomotor og måle vedheft etter trinn 5.
- Tegne vedheft kraft mot løfte hastighet kurve ved hjelp av data i trinn 6.1.
- Analysere forholdet mellom vedheft kraften og løfte hastigheten gjennom kurven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forholdet mellom hastighet og vedheft løftekraft er vist i tabell 1. Når løfte hastigheten øker fra 0.01 m/s 0,3 m/s, tvinge vedheft mellom de vann overflaten og Ben synker dramatisk fra 0,10 til 0,03. Resultatene av avgang eksperimentet viste at peak vedheft styrken vil redusere dramatisk med løfte hastigheten øker, noe som indikerte at vann forening kan føle seg komfortable hvis de flytter raskt på vannflaten.
I dette papiret, er en modell av bena avgang fra vannflaten basert på mikrostruktur av bena og formen på kiselbørster etablert, som kan belyse mekanisme enkelt hoppe fra vannoverflaten lav energireduksjon. Seta ben var et konisk innlegg med fronten tynn og bak svært tykk, som vist i figur 1, som resulterte i stivhet av fronten mye lavere enn bak. Dermed tendens den fremre delen av seta til å bøye lett, mens baksiden gjorde ikke på grunn av utmerket stivhet. Når benet ble dratt fra vann, kiselbørster på beinet ville være bøyd som følge av vedheft kraften og endelig være loddrett vannflaten som vist i figur 5. Vann ville falle langs kiselbørster naturlig med lav energi ødsling, som kan være neglisjert. Bøying av seta vil redusere kontaktledningsanlegget betydelig til en sirkel med diameter på 0,2 m og energireduksjon kan uttrykkes som:
hvor y var overflatespenning koeffisienten, 72 mJ/m2 og D var diameteren på den seta tips, henholdsvis. Dermed kan vann forening hoppe i vannet.
Forholdet mellom vedheft kraften og løfte hastighet ble tolket grundig gjennom tidligere avgang modell. Etter bevaring av energi var den totale energien løftet vann på grunn av vedheft styrken omtrent lik energireduksjon av beinet Ediss. I denne modellen var Ediss konstant på annen løfte hastighet. Dermed var energien i vannet trakk opp, inkludert potensiell energi E-p og den kinetiske energien Ek, changeless. Løfte høyhastighets vil føre til små potensiell energi Ep og store kinetisk energi Ek. Derfor, som løfte hastigheten økes, vedheft styrken, proporsjonal med potensiell energi Ep, ville redusere drastisk.
Figur 1: nonwetting vann striderben. (a) kiselbørster på superhydrophobic beinet. (b) nanoskala sporene på kiselbørster. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: dynamisk kraft målesystemet. (a) skjematisk illustrasjon av dynamisk kraft målesystemet består av en PVDF filmen sensor, en CCD kamera, en kostnad forsterker, en data oppkjøpet enhet og en datamaskin. (b) virkelig eksperiment instrument for dynamisk kraft målesystemet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Frontpanel demonstrasjon av kontinuerlig analoge spenning målingen. Demonstrasjon av LabVIEW brukes til å prøve voltage signaler av PVDF film sensor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Avgang eksperimentet beina på en viss hastighet. (a) avdeling av bena fra vannflaten. (b) sanntid vedheft styrken målt ved PVDF film sensor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: teoretisk modell av vann strider's Ben avgang fra vannflaten. Denne modellen viser at seta er bøyd peeling fra vannflaten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tabell 1: topp vedheft styrken målt på ulike løfte hastigheter. Vedheft styrken reduseres dramatisk fra 0.10 μN til 0,03 μN med en økning av løfte hastighet fra 0.01 m/s 0,3 m/s.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokollen, var en dynamisk kraft målesystem basert på PVDF film sensor er utviklet, samlet, kalibrert for å måle vedheft fra vannflaten. Noe av det hele, det var avgjørende at vedheft styrken ble målt på ulike hastigheter ved å løfte beinet fra vannflaten som denne studien fokusert på bemerkelsesverdig karakteristisk for rask manøvrering på vannet. Resultatene av avgang eksperiment viste at vedheft styrken redusert når løfte hastigheten økes. Disse avklart at vann forening ville føle seg avslappet hvis de flyttet med høy hastighet på vannet.
PVDF-basert dynamisk kraft måling metoden er et viktig supplement til den tradisjonelle metoden. I tidligere studier, ble vedheft kraft vann forening i avdeling prosessen vanligvis målt av atomic force mikroskopet (AFM) i en kvasi-statisk modus. Forhold til AFM metoden, til tross for at måling nøyaktighet er litt dårligere, PVDF film sensor stand til å måle større makroskopisk objekter. Dessuten, på grunn av sin store hyppigheten svaret egenskaper, kan PVDF film sensor måle dynamisk samspillet mellom beina og vannoverflaten mens AFM kan bare brukes i betingelsen kvasi-statisk omvendt.
Den foreslåtte metoden for måling dynamisk kraft var begrenset at bare mikro-makt kan avleses. Hvis vi brukt en stor styrke til dingler sensoren, ville det føre til en betydelig deformasjon av PVDF film sensor, som ville føre til upresis resultat. Videre var sensitive området PVDF film sensor små, som begrenset størrelsen på objektet. Men i motsetning til det tradisjonelle metoden kunne den foreslåtte metoden måle dynamisk i stedet for å bare måle statisk, som kan vise hele samhandling prosessen.
Denne metoden basert på PVDF filmen sensor har bred programmer i mange felt på grunn av dens høy følsomhet dynamisk kraft sensing og bemerkelsesverdig fleksibilitet. For eksempel det er tegnet mye oppmerksomhet til programmet i strukturelle helseovervåking av overvåking responsen av bygningene under vibrasjoner eller store bevegelser27,28. I tillegg brukes PVDF filmen sensorer til å måle direkte samspillet mellom to inviscid dråper i Koalesens prosess, der væske mekanikerne ikke har blitt fullt ut forstått. Videre spiller PVDF film sensor også en viktig rolle i taktile sensing i roboter29. Sensoren er innebygd i robotens fingertuppene måle kontakt styrken som kontakt temperaturen på et objekt. I feltet av biologiske forbedre PVDF-baserte force sensorer suksessrate på enkeltcelle manipulasjon, som DNA injeksjon og gene terapi, gjennom kontrollen presis mekanisk tilbakemelding med høy følsomhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatteren har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne takker nasjonale nøkkel Technology Research and Development Program av departementet for vitenskap og teknologi i Kina (nr. 2011BAK15B06) for deres støtte. Takk Shuya Zhuang som er en master student fra vårt laboratorium for å hjelpe oss fullføre video skyte.
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).
