Özet

Düzlemsel Lazer Kaynaklı Floresan Görüntüleme Kullanarak Çırpıcı Yumuşak Yüzgeç Deformasyonu Modellemesi

Published: April 28, 2022
doi:

Özet

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Fin imalatı İstenilen şekil tasarımına dayalı bir kanat kalıbı oluşturun. Yüzgeç şeklinin özel bir 3D baskılı parlak kaplamalı kalıbını tasarlayın ve oluşturun (Şekil 1). Kalıbı imal etmek için Ek Kodlama Dosyaları 1-4’teki STL dosyalarına bakın. 3D baskılı sert plastik kenar spar gibi yapısal elemanları kalıba yerleştirin. Ek Kodlama Dosyası 2’deki spar’ın STL dosyasına ba…

Representative Results

Yamuk balıktan ilham alan yapay bir pektoral yüzgeç, her biri önde gelen çeyrek akora yerleştirilmiş sert bir ön kenar sparına sahip iki farklı malzemeye (PDMS 10: 1 ve 20: 1, her ikisi de floresan boya ile karıştırılmış) bir kalıptan dökülmüştür (Şekil 2 ve Şekil 3). İki kanat malzemesinin çekme testi (Şekil 3), PDMS 20:1 ve PDMS 10:1 kanatçıkları için sırasıyla 0,38 MPa ve 0,82 MPa’lık elastik mod…

Discussion

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…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

Referanslar

  1. Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
  2. Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
  3. Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
  4. Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
  7. Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
  8. Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
  9. Park, Y. -. J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -. Y., Cho, K. -. J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
  10. Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985 (2012).
  11. Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
  12. Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
  13. Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
  16. Park, H., Park, Y. -. J., Lee, B., Cho, K. -. J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
  17. Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
  18. Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101 (2020).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
  22. Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924 (2021).
  23. Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098 (2013).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
  25. Springer. . Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
  28. Academic Press. . Handbook of Shock Waves. , (2001).
  29. Yang, W. J. . Handbook of Flow Visualization. , (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -. A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
  32. Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
  33. Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
  34. Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. . Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego – Porto. , 1-9 (2021).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. . Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).
  38. Löhner, R. . Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).
  39. D20 Committee. . Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).

Play Video

Bu Makaleden Alıntı Yapın
Sampath, K., Xu, N., Geder, J., Pruessner, M., Ramamurti, R. Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging. J. Vis. Exp. (182), e63784, doi:10.3791/63784 (2022).

View Video