Summary
ここのプロトコルは無料調査と水面にアメンボの速い工作専用です。プロトコルには、足の微細構造を観察し、異なる速度で水面からの出発時に接着力を測定が含まれています。
Abstract
本研究の目的説明したい現象の自然の中、アメンボ通常ジャンプ、または簡単に、すぐに水面を滑る、そのピークの移動で到達 150 cm/s の速度。まず、微細構造と階層の走査型電子顕微鏡を用いたアメンボの足を見ました。足の観察された形態に基づくエネルギー削減の面で楽水表面上でスライドするアメンボの機能を説明する水面から剥離の理論モデルは設立されました。第二に、全体の相互作用のプロセスを検出できる優れた感度と PVDF フィルム センサーを用いた力計測システムが考案されました。その後、水と接触して単一の足が異なる速度で上方に引っ張られ、同時に粘着力を測定しました。出発の実験の結果は、アメンボの高速ジャンプの深い理解を提案しました。
Introduction
自然の中でアメンボはジャンプしたり、ほっそりと濡れ足1,2,の3,の4、5の助けを借りて水の表面に簡単かつ迅速を滑空する驚くべき能力を所有しています。しかし、地上の昆虫とは異なり、ゆっくりと、ほとんど移動します。アメンボの階層構造が水と脚6,7,8,間の接触面積と接着力の劇的な削減をレンダリングする超撥水状態を安定化させる9します。 ただし、水面からアメンボの迅速な解放の流体力学的利点のまま悪い解釈10、11,12。
水面からジャンプのプロセスは 3 段階13,14,15,16に主に分けられます。最初は、アメンボが水面下最大の深さに沈むまで水の表面エネルギーに生物学的エネルギーを変換する中央と後部の脚はジャンプの方向を初期化し、特定の昆虫を有効をプッシュします。脱着速度。昇順段階によって続かれて、昆虫によって押される上方湾曲した水面の毛管力最大の速度に到達するまで。最終的な撤退の段階で、アメンボは、水面からの脱却まで慣性で上昇し続けているが、付着力により速度を大幅に軽減、水でのエネルギー消費量に関するプリンシパルの影響がある、アメンボ。したがって、撤退の段階で別の離陸速度で接着力を測定し、高速移動の特徴を説明するこのプロトコルを提案する.
ときに水面から推進あめんぼ類の付着力を探検する多くの研究をされています。リー & キム、理論的・実験的確認必要な接着力とエネルギーの接触角度が 160 度17に増加したときに劇的に減少したアメンボの足を持ち上げること。パン ジェン魏はその重量18の 1/5 に発見された TriboScope システムによって粘着力を測定する水圧実験を設計されています。Kehchih 黄は 2 D モデルが付いている水からデタッチと脚の多次元センサーデー接着力とエネルギー散逸19を減らすに重要な役割を発見足の準静的過程を分析しました。ただし、前の研究で凝着力の計測は高速ジャンプ中接着力変化を監視できなかった準静的プロセスの状態にだけあった。
本研究では、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) 膜センサーおよび他の補助器具を使用して動的な力計測システムを設計されています。他の圧電材料と比較して、PVDF より高い感度20,21,22動的マイクロカを測定に最適です。PVDF 膜センサーをシステムに統合することによってリアルタイム付着力検出でき水表面23,24,25脚引いていた時に処理されます。
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Protocol
1. アメンボの脚の表面構造の観察
- 釣りのランディング ネットを使用してローカルの淡水池からアメンボを収集します。
- はさみを使用して実験のサンプルとして少なくとも 5 組の中間の足切断します。表面の汚染や足の前部組織の破壊を防ぐために慎重に、足の下をタップします。
- 空気中を足を自然乾燥します。
- 図 1で示すように、マイクロ レベルの解像度を持つ走査型電子顕微鏡を使用しての足の表面の微細構造を観察します。
- 図 1bに示すようにナノレベルの分解能走査型電子顕微鏡を使用して足の microsetae を観察します。
2. 動的力測定システムのコンポーネントを準備します。
- 生成以上 10 14.9 × 10.2 mm2 X 28 μ m の寸法で PVDF 膜センサーを購入マイクロひずみあたり mV。
メモ: PVDF 膜センサーは、高感度で動的接触力の感覚に使用されます。 - 最大 1000 mV/pC 無料ゲインとチャージ アンプを購入し、5 μ V 以下の低騒音。
メモ: チャージ アンプは、トランスデューサーから充電出力は電圧に変換されます、PVDF 膜センサーからの信号を拡大する使用されます。 - アナログ入力が 1 から範囲でサンプル レートをデータ集録デバイスを購入 S/s 102.4 kS/秒です。
注: チャージ アンプの電圧データを読み取り、さらに処理するためにコンピューターにそれらを送信および表示するデータ集録デバイスを使用します。 - いくつかの高精度変位段階およびサーボモータを購入します。
注: 脚は、サーボ モーターによって駆動される異なったスピードで水から出発します。 - その焦点距離 5 mm から 30 mm、フレーム レートの範囲には、CCD カメラの購入は、30 fps です。
メモ: このカメラは記録および水表面および足と水の表面の間の距離の変形を監視に使用されます。 - 高性能コンピューターを準備します。
3. 動的力測定システムのすべての部分の組立
- 図 2、および図 2bに示すように、実際の実験装置概略図に従って動的力測定システムを構築します。
- 反対側はぶら下がっている水平のフレーム上に配置は高精度な変位のステージに電極で PVDF 膜センサーの 1 つの側面を固定します。PVDF 膜センサーのこのインストール方法動的微小力の測定の分解能が向上します。
- チャージ アンプ、データ集録デバイスとコンピューターにデータ集録デバイスにチャージ アンプに PVDF 膜センサーを接続します。
- PVDF 膜センサーの左側に配置されている高精度な変位のステージにカメラを固定します。
- 大体すぐに足と水の間の距離を調整、PVDF 膜センサーの上フレームに高精度な変位ステージを修正、PVDF 膜センサーからの分離は 10 cm 程度です。
- 正確な速度で水面から脚を持ち上げ、高精度な変位ステージの下サーボモータを修正します。
4. 動的力計測系の校正
- 絶対値が 0.5 未満 µN。 内側と外側電極に適用される電圧によってシステムの静電気力を制御する必要があります、PVDF 膜センサーの自由端に振る舞ったマイクロ定数力を発生する静電気力システム26を使用します。比類円筒コンデンサー。
注意: 力は、PVDF フィルム表面に垂直な方向に行動しなければならないし、アプリケーションのポイントは、感度を上げる PVDF 膜センサーの先端にできるだけ近くするはずです。 - ステップ入力を生成する短時間で力を解放します。
- PVDF 膜センサーの出力電圧信号を読むことができます、LabVIEW ソフトウェアを使用してコンピューターの 4.2 のステップの電圧時間信号を読みます。
- LabVIEW ソフトウェアおよびハードウェア ドライバー Ni-daqmx ナショナルインスツル メンツ公式ウェブサイトをダウンロードします。
- 示されている図 3として、LabVIEW を使用して連続的なアナログ電圧測定のデモを開きます。
- チャンネル設定のモジュールのチャージ アンプに接続されているデータ集録デバイスの物理チャンネルを選択します。
- サンプル レートを設定すると、100000 とタイミング設定のモジュールで 100000 するサンプルの数。
- 選択ログ読み取りログ モードと、ログの設定のモジュールの電圧データを格納するためファイル パスを書きます。
- トリガー設定のモジュールでトリガーを選択しません。
- 電圧信号をサンプリングするツールバーの矢印図形ボタンをクリックします。
- ピーク電圧は対応する強制的にセンサーに作用電圧曲線を分析します。
- 一連の電圧力ポイントが得られる異なる力入力で 4.1 4.4 手順を繰り返します。
- 出力電圧のピーク値と校正結果の標準的な力の関係を決定します。
5. 一定の速度で凝着力の計測
- 機械式ピペットを使用して PVDF 膜センサーの自由端に水滴 (5 μ L) を配置します。
注: 液滴の場所は、PVDF 膜センサーの先端に近くなるはず。 - 高精度な変位ステージの下サーボモータに片脚を固執します。
- 図 4に示すように水表面が付いて脚連絡先まで高精度な変位段階下方に移動します。モニター カメラ システムによって脚や水の表面の間の距離はセンサーの左側にマウントされています。
- サーボモータを一定の速度で水面から脚を持ち上げます。
- 出発プロセス ステップ、4.6 で確立したモデルを用いた電圧曲線の各点に対応する力を計算し、図 4bに示すようにプロセスを出発の力-時間曲線を描きます。
- 一定の速度で出発のプロセスのピーク接着を記録します。
6. 異なる速度で凝着力の計測。
- サーボモータによる足の昇降速度を変更してステップ 5 によると接着力を測定します。
- 6.1 のステップで得たデータを使用して速度曲線を持ち上げると接着力をプロットします。
- 接着力と曲線を介して昇降速度の関係を分析します。
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Representative Results
ストローク速度と接着力との関係を表 1に示します。昇降速度が 0.01 m/s から 0.3 m/s に向上、接着力 0.03 0.10 から劇的に、水表面および足の減少。出発の実験の結果、凝着力のピークが、アメンボが水面にすばやく移動する場合快適に感じるかもしれないことを示される昇降速度の増加として劇的に 。
本稿で水面の足の微細構造と剛毛の形状に基づいて発足のモデルを設立、低エネルギーの削減水面から簡単なジャンプの機構の解明を可能性があります.足の瀬田は、図 1、背面よりはるかに低いフロント部分の剛性につながったのように薄いフロント部分とリア極太、テーパ ポストをだった。したがって、背面は優れた剛性によるものでしたが、簡単に曲げる傾向が瀬田のフロント部分。脚は、水から引っ張られた、脚の剛毛は付着力の結果として曲がってだろうし、最終的には図 5に示すように、水面に縦にあります。水低エネルギー損失を無視することができる自然に剛毛に沿って下落するでしょう。0.2 m の直径を持つ円にまで大幅接触線を減らすこと、瀬田の曲げとエネルギー削減に表されることができます。
ここで、 yは表面張力係数、72 の mJ/m2と D であった瀬田の先端の直径。したがって、アメンボ、水で簡単にジャンプできます。
接着力と昇降速度の関係は、前出発のモデルを通じて徹底的に解釈されました。省エネによると接着力による浮き上がり水の総エネルギーは脚Eディスのエネルギー削減にほとんど等しかった。このモデルでEディスは異なる昇降速度で一定でした。したがって、 Epポテンシャル エネルギーと運動エネルギー Ekなどを含む、プルアップ水のエネルギーは変化がなく。高昇降速度は、小さなポテンシャル エネルギー Epと大きな運動エネルギー Ekに します。したがって、昇降速度増加、付着力、ポテンシャル エネルギー Epに比例して大幅に減少するでしょう。
図 1:濡れアメンボ足。(超撥水の足に a) の剛毛。(b)、剛毛のナノスケール溝。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2:動的力測定システム。(ダイナミックフォース計測システムの a) の模式図は、PVDF 膜センサー、CCD カメラ、チャージ アンプ、データ集録デバイスとコンピューターで構成されます。(b) 動的力計測システムの実際の実験装置。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 連続的なアナログ電圧測定のデモのフロント パネルします。LabVIEW のデモは、PVDF 膜センサーの電圧信号のサンプリングに使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 一定の速度で脚の出発実験。(a) 水面から足の剥離。PVDF 膜センサーによる測定 (b) リアルタイムの接着力。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5:水面から出発アメンボの脚の理論モデル。このモデルは、瀬田は水面から剥離を曲げを示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
表 1:凝着力のピークが異なる昇降速度で測定します。粘着力は上げ 0.01 m/s から 0.3 m/s の速度の増加に伴い 0.03 (オーム領域) に 0.10 (オーム領域) から大幅に低下します。
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Discussion
このプロトコルでは、PVDF 膜センサーを用いた力計測システムは正常に考案、組み立て、水面から粘着力を測定するために校正します。全体の手順の間で重大だった水の簡単な工作の顕著な特性に焦点を当てて接着力がこの研究として水面から足を持ち上げることによって異なる速度で測定しました。実験の結果は、昇降速度を上げて、付着力が減少したことを示した。彼らは、水を高速で移動した場合、アメンボを感じるだろうことを明らかにしたこれらを緩和しました。
PVDF による動的荷重測定方法は従来の方法に重要な補完です。過去の研究、剥離プロセスのあめんぼ類の付着力通常測定した準静的モード原子間力顕微鏡 (AFM) による。にもかかわらず AFM 法に比べて測定精度はやや劣る、PVDF 膜センサーは大きく巨視的オブジェクトの力を測定することができます。また、その大規模な周波数応答特性による PVDF 膜センサー測定でき足と水表面との間の動的相互作用、AFM だけ使用できる準静的な状態で逆に。
手法その唯一のマイクロ力を測られることが限られていた動的力を測定するため。ぶら下がりのセンサーに大きな力を適用されている場合、不正確な結果につながる PVDF 膜センサーのかなり変形になります。さらに、PVDF 膜センサーの敏感な部分は、測定対象のサイズを限った小規模だった。ただし、従来の方法とは対照的手法は動的力を測定するのではなく、ただ全体の相互作用のプロセスを表わすことができる静的な力を測定することができます。
PVDF 膜センサーに基づいてこのメソッド動的力センシングと驚くべき柔軟性の高い感受性のための多くの分野で幅広い用途があります。たとえば、それが描かれている、振動や大きな建物の応答を監視することによって構造ヘルスモニタ リングのアプリケーションに注目動27,28。さらに、PVDF 膜センサーは、流体力学理解していないされて完全に合体過程で 2 つの非粘性液滴間の相互作用を直接測定する使用されます。さらに、PVDF 膜センサー ロボット29触覚センシングで重要な役割を果たします。センサーは、ロボットの指先接触力としてオブジェクトの接触部の温度を測定するために埋め込まれます。生物学の研究においては、PVDF を用いた力センサー高感度精密機械式フィードバック制御による DNA 注入、遺伝子治療などの単一細胞操作の成功率を向上に役立ちます。
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Disclosures
著者は、何を開示します。
Acknowledgments
著者は、彼らのサポートのキー技術研究と科学省と中国の技術 (ナンバー 2011BAK15B06) の開発プログラムをありがちましょう。ビデオ撮影を完了私たちを助けるために私たちの研究室から修士課程である修也庄をありがとうございます。
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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