Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Su Strider bacak yukarı PVDF Film algılayıcı tarafından atlama üzerinde hareket dinamik güç ölçümü

5.8K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

3 Ağustos 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

Bu makalede

Özet

İletişim kuralı burada ücretsiz araştıran ve su yüzeyindeki su strider hızlı manevra adamıştır. Protokol bacaklar mikroyapı gözlemleyerek ve yapışma gücü farklı hızlarda su yüzeyinden çıkış yapan zaman ölçme içerir.

Özet

Genellikle bu su strider doğada fenomen için bir açıklama yapmak için amaçlayan bu çalışma atlar veya kolayca ama hızlı bir şekilde su yüzeyine kayar, onun en yüksek hareket ile ulaşan 150 cm/s hız. İlk olarak, biz mikroyapı ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak su strider bacaklar hiyerarşisini gözlenen. Bacaklar gözlenen morfolojisi temelinde, hangi enerji azaltma açısından zahmetsizce su yüzeyinde slayt için su sineklerinin yeteneği açıkladı dekolmanı su yüzeyinden bir teorik modeli kurulmuştur. İkinci olarak, tüm etkileşim işlemi tespit olabilir mükemmel hassasiyet ile PVDF film sensör kullanarak bir dinamik güç ölçüm sistemi geliştirildi. Daha sonra su ile temas halinde tek bir bacak yukarı doğru farklı hızlarda çekildi ve yapışma gücü aynı zamanda ölçüldü. Çıkış yapan denemenin sonuçları hızlı su sineklerinin atlama derin bir anlayış önerdi.

Giriş

Doğada su sineklerinin atlamak veya su yüzeyi ince ve nonwetting bacaklar1,2,3,4,5yardımı ile kolayca ve hızlı bir şekilde kayma için dikkat çekici yeteneğine sahip, Ama nadiren yavaş yavaş, karasal böcekler olan hareket. Suyun ve bacak6,7,8, arasında iletişim alanı ve yapışma yürürlükte dramatik azaltma işler superhydrophobic devlet su strider hiyerarşik yapısını stabilize 9. ancak, su sineklerinin hızlı kesilmesi su yüzeyinden hidrodinamik avantajları kötü yorumlanmış10,11,12kalır.

Su yüzeyinden atlama işlemi ağırlıklı olarak üç aşamada13,14,15,16ayrılmıştır. İlk başta, su sineklerinin atlama yönünü başlatmak ve belirlemek böcek sağlayan biyolojik enerji maksimum derinliği batan kadar su yüzey enerjiye dönüştürmek için orta ve arka bacaklar ile su yüzeyi aşağı doğru itin. ayırmayı hız. Artan sahne ile takip, böcek yukarı doğru kavisli su yüzeyi kapiller zorla maksimum hız erişene dek itilir. Son ayrılma aşamasında su strider atalet tarafından su yüzeyinden uzak kırma kadar yükselmeye devam ediyor, ama hızı büyük ölçüde nedeniyle yapışma gücü azalır su ile enerji tüketimi üzerinde asıl etkiye sahip su Yolgezer. Bu nedenle, bu iletişim kuralı ayrılma aşamasında kalkış farklı hızları, yapışma gücü ölçmek ve hızlı hareket eden farklı karakteristik açıklamak için önerilmiştir.

Ne zaman su yüzeyinden iten su sineklerinin yapışma gücü keşfetmek için birçok çalışma yapılmıştır. Lee & Kim yapışma gücü ve enerji su strider'ın bacaklar kaldırma ölçüde ne zaman temas açısı 160 derece17' ye yükseldi azalmıştır gerekli teorik ve deneysel olarak doğruladı. Pan Jen Wei bir hidrostatik deney 1/5, ağırlık 18bulundu TriboScope sistemi tarafından yapışma kuvvetleri ölçmek için tasarlanmış. Kehchih Hwang ayakları ve özellikli bir 2D sudan ayırma ve bacak superhydrophobicity yapışma gücü ve enerji dağıtımı19azaltılmasında önemli bir rol oynadı buldum yarı statik süreci analiz. Ancak, önceki çalışmalarda yapışma gücü ölçümü sadece hızlı atlama sırasında yapışma kuvvetleri değişiklikleri izlemek için bir yarı statik işleminin durumu oldu.

Bu çalışmada, polivinilidin florid (PVDF) film sensörü ve diğer adjuvan enstrüman kullanarak bir dinamik güç ölçüm sistemi tasarlanmış. Piezoelektrik diğer malzemelerle karşılaştırıldığında, PVDF daha yüksek duyarlılık20,21,22ile dinamik microforce ölçmek için daha uygundur. PVDF film sensör sistemi içine entegre ederek, gerçek zamanlı yapışma kuvvetleri olabilir tespit ve bacak su yüzey23,24,25dan çekiyordu zaman işlenir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. su Strider bacak yüzey yapısına gözlenmesi

  1. Su sineklerinin balıkçılık açılış net kullanarak yerel tatlı su havuzları toplamak.
  2. Orta bacaklar en az 5 çift makas kullanarak deneysel örnekleri kesin. Alt bacak dikkatle, yüzey kirlenme ve mikroyapı bacaklar önünde etkilemesini önlemek için dokunun.
  3. Bacaklar havada dışarı doğal olarak kuru.
  4. Taramalı elektron mikroskobu ile mikro düzeyde kararlılık resim 1biriçinde gösterildiği gibi kullanarak bacaklar yüzey mikroyapı gözlemlemek.
  5. Şekil 1bgösterildiği gibi nano düzeyi çözünürlükte tarama elektrik mikroskop kullanarak bacaklar microsetae gözlemlemek.

2. dinamik güç ölçüm sisteminin bileşeni hazırlamak

  1. PVDF film sensörü ile bir boyut-in daha--dan 10 üretir 14,9 X 10.2 mm2 X 28 mikron, satın mV başına mikro-zorlanma.
    Not: PVDF film sensörü yüksek ISO değerlerinde dinamik kişi güç duygusu için kullanılır.
  2. En fazla 1000 mV/pC şarj kazanç ile şarj amplifikatör satın almak ve düşük gürültü 5'ten μV.
    Not: Şarj amplifikatör içinde dönüştürücü şarj çıktısı bir gerilim dönüştürülür PVDF film sensörü sinyalini büyütmek için kullanılır.
  3. Analog giriş olan örnekleme hızları 1 aralığında bir veri alma aygıtı satın s/s 102.4 kS/s.
    Not: Veri alma cihazı şarj amplifikatör gerilim veri okumak ve göndermek için daha fazla alay bilgisayar için ve görüntülemek için kullanılır.
  4. Birkaç yüksek kesin deplasman aşamaları ve bir rediktördür satın alabilirsiniz.
    Not: Su rediktördür tarafından tahrik farklı hızda bacaklar havanamazlar.
  5. Satın alma 30 mm ve kare hızı 5 mm aralığında odak uzunluğu olan bir CCD kamera, 30 kare/sn olduğunu.
    Not: Bu kamera kayıt ve deformasyon su yüzeyi ve bacaklar ve su yüzeyi arasındaki mesafe izlemek için kullanılır.
  6. Yüksek performanslı bilgisayar hazırlayın.

3. dinamik güç ölçüm sistemi tüm parçaları Meclisi

  1. Dinamik güç ölçüm sistemi Şekil 2bir ve Şekil 2bgösterilen gerçek deneme enstrüman gösterilen şematik göre bir araya getirin.
  2. Yatay çerçeve üzerinde diğer tarafta asılı olarak yerleştirilen yüksek kesin deplasman sahneye elektrotlar ile PVDF film sensörü bir tarafı düzeltmek. Bu yükleme yöntemi PVDF film sensörünün dinamik mikro güç için ölçü çözünürlüğünü artırmak yardımcı olur.
  3. PVDF film sensörü şarj amplifikatör, ücret amplifikatör veri alma aygıtına ve veri alma aygıtını bilgisayara bağlayın.
  4. PVDF film sensörü sol tarafındaki yerleştirilen yüksek kesin deplasman sahneye kamera tamir.
  5. Kabaca bacaklar ve su arasındaki mesafeyi hızlı bir şekilde ayarlamak, çerçeve PVDF film sensör üzerinde yüksek kesin deplasman aşamaya düzeltmek için kimin PVDF film algılayıcı yaklaşık 10 cm ayrılmasıdır.
  6. Kesin bir hızda su yüzeyi uzak bacak kaldırma için yüksek kesin deplasman sahne altında rediktördür saptamak.

4. Kalibrasyon dinamik güç ölçüm sistemi

  1. Elektrostatik kuvvet sistemi26 PVDF film sensörü, kimin büyüklüğü daha az 0.5 µN. kontrol sisteminin elektrostatik kuvvet için iç ve dış elektrotlar uygulanan gerilim tarafından olmalıdır ücretsiz ucundaki hareket bir mikro-sabit güç oluşturmak için kullanın paralellik silindirik kapasitör.
    Dikkat: Kuvvet PVDF film yüzeye normal bir yönde hareket etmelidir ve uygulama amacı olabildiğince yakınına PVDF film sensör hassasiyetini artırmak için ucuna kadar beklenir.
  2. Bir adım giriş oluşturmak için kısa bir süre yürürlükte serbest bırakın.
  3. LabVIEW, yardımcı olan çıkış gerilim sinyalleri PVDF film sensörün okuma yazılımını kullanarak bilgisayar 4.2 adımda gerilim-zaman sinyali okunur.
    1. Download LabVIEW yazılım ve donanım sürücüsü NI-DAQmx yılında resmi web sitesi, Ulusal aletleri.
    2. LabVIEW gösterilen Şekil 3kullanarak sürekli analog voltaj ölçümü gösterimini açın.
    3. Kanal ayarlarımodülündeki şarj amplifikatör ile bağlı veri alma aygıtı fiziksel kanalı seçin.
    4. Örnek hızı 100000 100000 Zamanlama ayarlarımodülü için örnek sayısını ayarlayın.
    5. Günlük ve okunur oturum açma modu seçin ve Günlüğe kaydetme ayarlarımodülünde gerilim verilerini depolamak için dosya yolunu yazın.
    6. Yok tetikleyici Tetikleyici ayarlarımodülünde seçin.
    7. Gerilim sinyal örnekleme yapmak için araç çubuğundaki oku-şekil düğmesini tıklatın.
  4. İçinde en yüksek gerilim zorlamak için sensör üzerinde hareket karşılık gelen gerilim eğrisi analiz.
  5. Farklı güç girişi, içinde bir dizi gerilim-güç noktaları kazandı, 4.1-4.4 adımları yineleyin.
  6. En yüksek çıkış voltajı ve standart güç kalibrasyon sonuç ilişkisini belirlemek.

5. yapışma gücü belirli bir hızda ölçümü

  1. Bir su damlası (5 µL) mekanik bir micropipette kullanarak PVDF film sensörü ücretsiz sonuna yerleştirin.
    Not: Damlacık konumunu PVDF film sensörü ucu yakın olmalıdır.
  2. Rediktördür yüksek kesin deplasman sahne altında bir tek bacak sopa.
  3. Şekil 4biriçinde gösterildiği gibi su yüzeyi, bacak kişilerle kadar yüksek kesin deplasman sahne alanı aşağı doğru hareket ederler. Monitör kamera sistemi tarafından bacak ve su yüzeyi arasındaki mesafe sensörü sol tarafında monte.
  4. Su yüzeyinden uzak bacak sabit bir hızda rediktördür kaldırma.
  5. Gerilim eğrinin çıkış yapan sürecinin adım 4,6 kurulan modelini kullanarak her noktası karşılık gelen güç hesaplamak ve sonra işlemi, çıkış yapan, kuvvet-zaman eğrisi Şekil 4bgösterildiği gibi çizin.
  6. Çıkış yapan işleminin belirli bir hızda en yüksek yapışma kaydedin.

6. ölçüm farklı hızlarda yapışma gücü.

  1. Bacaklar kaldırma hızı rediktördür tarafından alter ve adım 5 göre yapışma kuvvetleri ölçmek.
  2. 6.1. adımda elde veri kullanarak hız eğrisi kaldırma karşı yapışma kuvvetleri arsa.
  3. Yapışma gücü ve eğri aracılığıyla kaldırma hızı arasındaki ilişkiyi analiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Kaldırma hızı ve adezyon kuvveti arasında ilişki Tablo 1' de gösterilen. Kaldırma hızı 0.3 m/s için 0,01 m/s ile arttığında, yapışma gücü su yüzeyi ve bacak azalır ölçüde 0,10 itibaren 0.03 arasında. Çıkış yapan denemenin sonuçları en yüksek yapışma kuvvetleri su sineklerinin hızlı bir şekilde su yüzeyine taşırsanız rahat hissedebilirsiniz belirtilen kaldırma hızını artırmak gibi önemli ölçüde azaltmak gösterdi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu protokol için PVDF film sensörüne dayalı bir dinamik güç ölçüm sistemi başarılı bir şekilde tasarlanmış, monte, uzak su yüzeyine yapışma kuvvetleri ölçmek için kalibre. Tüm adımları arasında çok önemli yapışma kuvvetleri bu çalışma olarak su yüzeyinden bacak kaldırma tarafından farklı hızlarda ölçüldü su hızlı manevra dikkat çekici özelliği odaklı. Kaldırma hızı artar zaman yapışma kuvvetleri azalmıştır deney çıkış yapan sonuçlarını gösterdi. Eğer onlar su yüksek bir hızda hareket bunlar su sineklerinin hissederdim ki...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazar ifşa etmek hiçbir şey vardır.

Teşekkürler

Yazarlar ulusal anahtar teknoloji araştırma ve geliştirme programı Bakanlığı Bilim ve teknoloji Çin (No. 2011BAK15B06) onların destek için teşekkür ederiz. Teşekkür için yemek servisi bizi video çekimi tamamlamak bizim laboratuvar üzerinden bir master öğrencisi olan Shuya Zhuang.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
PVDF film sensörüTE BağlantısıDT1-028K/LPVDF film sensörü, dinamik temas kuvvetini algılamak için kullanılır.
Şarj amplifikatörüWuxi Shiao Technology co., LtdYE5852BŞarj amplifikatörü  girişin entegre değeri ile orantılı bir voltaj çıkışı üreten bir elektronik akım entegratörüdür
Veri toplama cihazıNational InstrumentsUSB-4431Veri toplama cihazı, voltaj verilerini okumak için kullanılır.
Deplasman aşamasıZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF, yüksek çözünürlüklü, yüksek stabilite ve yüksek yüke sahip bir kama dikey kademesidir.
CCD kameraShenzhen Andonstar Tech Co., Ltddijital mikroskop A1Kare hızı: 30 kare/sn; Odak uzaklığı: 5mm - 30mm
BilgisayarLenovoG480
ServomotorEMAX US Inc.ES08MD0.10 sn/60° / 4.8v ile 0.08 sn/60°/6.0v arasında değişen hıza sahip bu servo fena değil.
Mekanik PipetlerDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181Pipetler 0,1 & mu hacim aralığını kapsar; l'den 2,5 &'ya kadar; l

Kaynaklar

  1. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
  2. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  3. 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).
  4. Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. 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).
  12. Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
  13. Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698(2016).
  14. Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).
  15. 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).
  16. Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
  17. 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).
  18. Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).
  27. Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  28. 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).
  29. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Dinamik Kuvvet l mAdhezyon Kuvveti l mY ksek Hassasiyetli Yer de i tirme SahnesiServomotor Kontrol SistemiY k Amplifikat r KurulumuVeri Toplama CihazLabView Yaz l m AnaliziElektrostatik Kuvvet Kalibrasyonu
Su Strider bacak yukarı PVDF Film algılayıcı tarafından atlama üzerinde hareket dinamik güç ölçümü
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.