Mevcut protokol, polidimetilsiloksan (PDMS) malzemelerle inşa edilmiş su altı çırpma kanatçıklarında 3D şekil deformasyonunun ölçülmesini ve karakterizasyonunu içermektedir. Bu deformasyonların doğru bir şekilde yeniden yapılandırılması, uyumlu çırpma kanatçıklarının itici performansını anlamak için gereklidir.
Çeşitli balık türlerinin yüzgeçlerinden esinlenen itici mekanizmalar, insansız araç sistemlerinde gelişmiş manevra ve gizlilik yetenekleri potansiyelleri göz önüne alındığında, giderek daha fazla araştırılmaktadır. Bu kanatçık mekanizmalarının membranlarında kullanılan yumuşak malzemelerin, daha sert yapılara kıyasla itme kuvvetini ve verimliliği arttırmada etkili olduğu kanıtlanmıştır, ancak bu yumuşak membranlardaki deformasyonları doğru bir şekilde ölçmek ve modellemek esastır. Bu çalışma, düzlemsel lazer kaynaklı floresan (PLIF) kullanarak esnek sualtı çırpma yüzgeçlerinin zamana bağlı şekil deformasyonunu karakterize etmek için bir iş akışı sunmaktadır. Farklı sertliklere (0.38 MPa ve 0.82 MPa) sahip pigmentli polidimetilsiloksan kanat membranları imal edilir ve iki serbestlik derecesinde harekete geçirilmek üzere bir montaja monte edilir: eğim ve rulo. PLIF görüntüleri bir dizi açıklık düzleminde elde edilir, yüzgeç deformasyon profilleri elde etmek için işlenir ve zamanla değişen 3D deforme olmuş yüzgeç şekillerini yeniden oluşturmak için birleştirilir. Veriler daha sonra akışkan-yapı etkileşim simülasyonları için yüksek doğrulukta doğrulama sağlamak ve bu karmaşık tahrik sistemlerinin performansının anlaşılmasını geliştirmek için kullanılır.
Doğada, birçok balık türü, hareket elde etmek için çeşitli vücut ve yüzgeç hareketlerini kullanmak için evrimleşmiştir. Balık hareketliliğinin ilkelerini tanımlamak için yapılan araştırmalar, biyologlar ve mühendisler sualtı araçları için yetenekli yeni nesil tahrik ve kontrol mekanizmaları geliştirmek için birlikte çalıştıklarından, biyoesinlenmiş tahrik sistemlerinin tasarımına yardımcı olmuştur. Çeşitli araştırma grupları yüzgeç konfigürasyonlarını, şekillerini, malzemelerini, strok parametrelerini ve yüzey eğriliği kontrol tekniklerini incelemiştir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Tek ve çok kanatlı sistemlerde itme oluşumunu anlamak için uç vorteks üretimini ve uyanıklık eğimini karakterize etmenin önemi, hem hesaplamalı hem de deneysel13,14,15,16,17,18 olmak üzere çok sayıda çalışmada belgelenmiştir. Uyanıklık eğimini azaltmak ve itme kuvvetini artırmak için çeşitli çalışmalarda gösterilen uyumlu malzemelerden yapılmış kanat mekanizmaları için17, akış yapısı analizi ile eşleştirmek için deformasyon zaman-geçmişlerini yakalamak ve doğru bir şekilde modellemek de önemlidir. Bu sonuçlar daha sonra hesaplama modellerini doğrulamak, kanat tasarımını ve kontrolünü bilgilendirmek ve doğrulama gerektiren esnek malzemeler üzerinde dengesiz hidrodinamik yüklemede aktif araştırma alanlarını kolaylaştırmak için kullanılabilir19. Çalışmalar, köpekbalığı yüzgeçlerinde ve diğer karmaşık nesnelerde20,21,22 doğrudan yüksek hızlı görüntü tabanlı şekil izlemeyi kullanmıştır, ancak karmaşık 3D yüzgeç şekli genellikle optik erişimi engelleyerek ölçmeyi zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, esnek kanat hareketini görselleştirmek için basit ve etkili bir yönteme acil bir ihtiyaç vardır.
Uyumlu kanatçık mekanizmalarında yaygın olarak kullanılan bir malzeme, Majidi veark.24 tarafından yapılan bir derlemede kapsamlı bir şekilde açıklandığı gibi, düşük maliyeti, kullanım kolaylığı, sertliği değiştirme kabiliyeti ve su altı uygulamalarıyla uyumluluğu nedeniyle polidimetilsiloksan (PDMS) ‘dir. Bu avantajlara ek olarak, PDMS ayrıca düzlemsel lazer kaynaklı floresan (PLIF) gibi optik bir teşhis tekniği kullanarak ölçümlere elverişli olan optik olarak şeffaftır. Geleneksel olarak deneysel akışkanlar mekaniği25 içinde, PLIF sıvıyı boya veya asılı parçacıklarla tohumlayarak veya bir lazer levhasına maruz kaldığında floresan olan akışta bulunan türlerden kuantum geçişlerinden yararlanarak sıvı akışlarını görselleştirmek için kullanılmıştır26,27,28,29. Bu köklü teknik, temel akışkanlar dinamiği, yanma ve okyanus dinamikleri 26,30,31,32,33’ü incelemek için kullanılmıştır.
Bu çalışmada, PLIF esnek balıktan ilham alan robotik yüzgeçlerde şekil deformasyonunun mekansal olarak geçici olarak çözülmüş ölçümlerini elde etmek için kullanılmıştır. Sıvıyı boya ile tohumlamak yerine, bir PDMS yüzgecinin sualtı kinematiği çeşitli akor kesitlerinde görselleştirilir. Düzlemsel lazer görüntüleme, ek floresan olmadan normal döküm PDMS’de gerçekleştirilebilse de, PDMS’yi floresanı artırmak için değiştirmek, yüzgeç montaj donanımı gibi arka plan öğelerinin etkilerini azaltarak görüntülerin sinyal-gürültü oranını (SNR) iyileştirebilir. PDMS, floresan parçacık tohumlaması veya pigmentasyon ile iki yöntem kullanılarak floresan yapılabilir. Belirli bir parça oranı için, birincisinin ortaya çıkan döküm PDMS34’ün sertliğini değiştirdiği bildirilmiştir. Bu nedenle, toksik olmayan, ticari olarak temin edilebilen bir pigment, PLIF deneyleri için floresan kanatçıkları dökmek üzere şeffaf PDMS ile karıştırıldı.
Hesaplamalı model doğrulaması için bu kanat kinematik ölçümlerinin kullanılmasına bir örnek vermek için, deneysel kinematikler daha sonra yüzgecin birleştirilmiş akışkan-yapı etkileşimi (FSI) modellerinden elde edilen değerlerle karşılaştırılır. Hesaplamalarda kullanılan FSI modelleri, kanatçıklar için ölçülen malzeme özellikleri kullanılarak hesaplanan ilk yedi özmoda dayanmaktadır. Başarılı karşılaştırmalar kanatçık modellerini doğrular ve kanatçık tasarımı ve kontrolü için hesaplama sonuçlarının kullanılmasında güven sağlar. Ayrıca, PLIF sonuçları, bu yöntemin gelecekteki çalışmalarda diğer sayısal modelleri doğrulamak için kullanılabileceğini göstermektedir. Bu FSI modelleri hakkında ek bilgi, önceki çalışma 35,36’da ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerinin temel metinleri 37,38’de bulunabilir. Gelecekteki çalışmalar ayrıca, robotik kanatçıklarda, biyo-esinlenmiş yumuşak robotlarda ve diğer uygulamalarda FSI’nın geliştirilmiş deneysel çalışmaları için katı deformasyonların ve sıvı akışlarının eşzamanlı ölçümlerine izin verebilir. Ayrıca, PDMS ve diğer uyumlu elastomerler, sensörler ve tıbbi cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanıldığından, bu tekniği kullanarak esnek katılardaki deformasyonları görselleştirmek, mühendislik, fizik, biyoloji ve tıp alanlarında daha geniş bir araştırmacı topluluğuna fayda sağlayabilir.
Düzlemsel lazer kaynaklı floresan tipik olarak, sıvıyı bir lazer tabakası25,26’ya maruz kaldığında floresan olan boya ile tohumlayarak sulu akışları görselleştirmek için kullanılır. Bununla birlikte, uyumlu malzemelerdeki deformasyonları görselleştirmek için PLIF kullanımı daha önce bildirilmemiştir ve bu çalışma, PLIF kullanarak esnek katı kanatçıklarda yüksek çözünürlüklü şekil deformasyonunun zaman geçmişi ölçümlerin…
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma, ABD Deniz Araştırma Laboratuvarı (NRL) 6.2 temel programı aracılığıyla Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından desteklendi ve Kaushik Sampath NRL’deki Akustik Bölümü’nün bir çalışanıydı ve Nicole Xu, NRL’deki Hesaplamalı Fizik ve Akışkanlar Dinamiği Laboratuvarları’nda NRC Araştırma Ortaklığı ödülüne sahipti. Yazarlar, teknik destek ve rehberlik için Dr. Ruben Hortensius’a (TSI Inc.) teşekkür eder.
ADMET controller | ADMET | MTESTQuattro | |
Axon II | Society of Robots | Microcontroller for the fin hardware | |
Berkeley Nucleonics Delay Generator | Berkeley Nucleonics Corp | Model 525 | BNC delay generator and software |
BobCat Cam Config | Imperx | Camera settings software | |
CCD camera | Imperx | B2340 | 4 MegaPixel |
COMSOL | COMSOL Inc | Commercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling | |
D646WP Servo | Hitec | 36646S | 32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation |
D840WP Servo | Hitec | 36840S | 32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation |
Electric Pink fluorescent pigment | Silc Pig | PMS812C | |
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system) | Quantel | EVG00070 | Laser head and power supply, 70 mJ |
Force transducer | ADMET | SM-10-961 | 10 lbf load cell |
FrameLink Express | Imperx | Camera capture software | |
Longpass fluorescence filter | Edmund Optics | 560 nm | |
MATLAB | MathWorks | Software for image analysis | |
Planetary centrifugal mixer | THINKY MIXER | AR-100 | |
Silicone rubber compounds | Momentive | RTV615 | Clear PDMS |
Stratasys J750 | Stratasys | 3D printer, polyjet | |
Universal testing machine | ADMET | eXpert 2611 | Table top model |
VeroBlack | Stratasys | 3D printer material to build the molds | |
VeroGray | Stratasys | 3D printer material to build the molds |