Oryantasyon ve dönme hızının ölçülmesi yöntemleri türbülansına tanecikler 3D basılmış
24 Haziran 2016
Türbülanslı sıvı akışındaki hizalamaları ve dönüşleri aynı anda birden fazla video görüntüsünden ölçülebilen krikolar, haçlar, tetradlar ve triadlar şeklinde anizotropik parçacıklar üretmek için 3D baskı kullanıyoruz.
Bu deneyin genel amacı, 3D yazıcıyı çok çeşitli şekillerde parçacıklar üretmek ve türbülanslı bir akışta hareketlerini ölçmek için kullanmaktır. Bu yöntem, parçacıkların türbülanslı sıvı akışlarında nasıl döndüğü ve hizalandığı gibi akışkanlar dinamiğindeki temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir. Başlıca avantajı, önceki yöntemlerle elde edilemeyen karmaşık şekillere sahip parçacıkların yönelimlerinin hassas zaman çözümlü ölçümlerine izin vermesidir.
Bu yöntem, türbülanstaki disklerin ve kürelerin hareketi hakkında bilgi sağlamıştır ve diğer birçok durumda karmaşık şekillere sahip parçacıkların dinamiklerini ölçmek için kullanılabilir. Genel olarak, bu yönteme yeni olan kişiler, 3D kamera kalibrasyonu ve oryantasyon bulma algoritmasını kullanılan belirli parçacıklara uyarlama ile mücadele edeceklerdir. Prosedürü göstermeye yardımcı olmak, orijinal deneyleri haçlar ve krikolarla gerçekleştiren Guy Marcus olacak.
Baskı için parçacık modelleri oluşturmak için bilgisayar destekli tasarım yazılımı kullanarak başlayın. AutoCAD kullanarak bir üçlü oluşturmak için önce 0,3 milimetre çapında bir daire çizmek için daire komutunu kullanın. Ardından, üç milimetre uzunluğunda bir silindir yapmak için ekstrüzyon komutunu kullanın.
Bu büyüklükteki silindirler parçacıkların yapı taşlarıdır. Şimdi döndür komutunu kullanın ve X ekseni boyunca olacak şekilde dönme eksenini ve 90 derece olacak dönüş açısını seçin. Diğer silindirlerle çalışmak için yer açmak için görünümü ayarlayın.
Ardından, üçlünün ikinci kolu olacak silindirin bir kopyasını alın. Bu silindirin sonunda, Z ekseni boyunca dönme ekseni ile 3D döndürme komutunu uygulayın. Üçlü için silindiri 120 derece döndürün.
Üçlünün bir kolunu oluşturmak için döndürülmüş silindiri yerine hareket ettirin. Silindir uçlarının merkezleri aynı olmalıdır. Üçüncü kolu da aynı şekilde yapın ve konumlandırın.
Ardından, nesneyi dikey veya yatay erişim boyunca hiçbir silindir noktası olmayacak şekilde döndürün. Tüm kollar yerine oturduğunda, hepsini seçin ve onları tek bir nesnede birleştirmek için union komutunu kullanın. Dosyayı 3D yazdırma için bir formatta kaydedin.
Benzer adımları izleyerek deneyde kullanılacak diğer parçacıkları oluşturun. Üçlüye ek olarak, ortak bir merkeze sahip iki ortogonal silindirden yapılmış haç, ortak bir merkeze sahip karşılıklı olarak ortogonal üç silindirden yapılmış kriko ve silindirlerin ortak bir ucu paylaştığı ve birbirine göre 109.5 derecelik açılarda olan tetrad vardır. Her parçacık türünden yaklaşık 10.000 adet yüksek çözünürlüklü modda yazdırılmıştır.
Yazdırılan parçacıkları, nötr olarak yüzer oldukları bir çözeltide saklamaya hazırlanın. Bunun için bir kalsiyum klorür çözeltisi ve nötr yüzdürme yoğunluğunda yaklaşık 1.600 litre su kullanın. Her bir parçacık türünü saklamak için çözeltinin yaklaşık bir litresini çıkarın.
Çözeltinin litresini tezgaha alın ve parçacıklarla çalışmaya başlayın. Bu deneyde kullanılan parçacıklar ticari olarak basılmıştır. Destek malzemesi olarak kullanılan reçine ile kaplanmış olarak gelirler.
Büyük parçaları nazikçe küçük bölümlere ayırarak parçacıkları serbest bırakın. Fazla reçinenin çoğu çıkana kadar manuel olarak masaj yapmak için her bölümle çalışın. Bu, sonraki adımları kolaylaştıracaktır.
Parçacıkları daha fazla temizlemek için, bir beherde kütlece% 10'luk bir sodyum hidroksit çözeltisi hazırlayın. Daha sonra, reçineyi çıkarmak için bazı parçacıkları ve reçine kılıfından geriye kalanları behere yerleştirin. Çözelti ile beheri ultrasonik bir banyoya taşıyın.
Parçacıkları ultrasonik banyoda başlangıçta bir saat, daha sonra durulamadan sonra yarım saat daha tutun. Parçacıkları geri kazanmak için, banyodan ve bir filtreden sodyum hidroksit çözeltisini almak için ikinci bir beher hazırlayın. Ultrasonik temizleme adımları tamamlandıktan sonra, kabı banyodan çıkarmak için eldiven kullanın ve içeriği filtreden ikinci behere dökün.
Parçacıkları, deformasyonu önlemek için daldırılacakları yoğunluğa uygun çözeltiye taşımadan önce durulayın. Bunlar, reçinelerinden arındırılmış, ultrasonik banyoda temizlenmiş ve artık yeşil lazer ışığı altında floresan hale getirmek için boyamaya hazır olan parçacıklardır. Parçacıkları boyamak için, suda bir litrelik Rhodamine-B boya çözeltisi kullanın ve sıcak bir plaka üzerine koyun.
Bu parçacığın malzemesi için boyayı 80 santigrat dereceye ısıtın. Küçük bir kabı depodaki parçacıklarla gevşek bir şekilde doldurun. Bu yaklaşık 2.500 parçacık olacaktır.
Parçacıkları boya çözeltisine ekleyin ve daldırılırken sıcaklığı koruyun. Yaklaşık iki veya üç saat sonra, çözeltiyi ve parçacıkları ısıdan çıkarın. Parçacıkları çözeltiden filtrelemek için bir ağ ve ayrı bir kap kullanın.
Sıcaktan yumuşakken onlara zarar vermemeye dikkat edin. Ardından, fazla boyayı çıkarmak için parçacıkları dikkatlice durulayın. Bittiğinde, deney için ihtiyaç duyulana kadar nötr yüzdürme çözeltisinde saklayın.
Deney, akışın merkezindeki parçacıkları kaydetmek için yerleştirilmiş kameraların bulunduğu bir tankta gerçekleştirilecek. Bu şema, sekizgen bir kesite sahip olan tankın kurulumuna, türbülanslı akış oluşturmak için kullanılan salınımlı ızgaralara, ölçüm hacmine ve kamera konumlarına genel bir bakış sağlar. Oryantasyon ölçüm doğruluğu için en az dört kamera kullanın.
Her kamera saniyede 450 kare hızında en az bir megapiksel çözünürlüğe sahip olmalı ve özel bir bilgisayara bağlı olmalıdır. Kameraları herhangi ikisi arasında geniş açılar olacak şekilde konumlandırın ve hepsinin istenen ölçüm hacmine odaklandığından emin olun. Optik bozulmayı en aza indirmek için, tankın içine kamera görüntüleme yönüne dik olan görüntüleme portları yerleştirilmiştir.
Ardından, tankın ölçüm hacmine bir görüntü kalibrasyon maskesi yerleştirin. Bu, kameralar tarafından toplanan deneysel verilerin analizine izin verecektir. Deney koşullarını simüle etmek için, tankı toplu nötr yüzdürme çözeltisi ile doldurmaya başlayın.
Depo dolduğunda, maskeyi aydınlatmak için ışıkları ayarlayın. Ardından, kameralarla çalışmaya geri dönün. Her kamerayı maske üzerindeki aynı noktaya odaklayın, ardından kalibrasyon için görüntüleri alın ve saklayın.
Depoyu boşalttıktan sonra, bir neodimyum itriyum alüminyum granat lazer yerleştirerek deneyi kurmaya devam edin. Lazer ışınının bir kısmını bir aynaya yönlendirmek için bir ışın ayırıcı ayarlayın. Işık, aynadan silindirik bir ışın oluşturan merceklerden geçer ve tankın içine girer.
Tankın karşı tarafına, çıkan lazer ışığını yolu boyunca geri yansıtmak için bir ayna yerleştirin. Bu üstten görünüm şemasında olduğu gibi birinciye dik silindirik bir ışın oluşturmak için ışın ayırıcının diğer çıkışını ve benzer bir ayna ve lens düzenlemesini kullanın. Işınların çıktığı aynalar daha homojen bir aydınlatma oluşturmaya yardımcı olur.
Ardından, gazdan arındırılmış nötr yüzdürme kalsiyum klorür çözeltisi ile doldurulmuş tankı inceleyin. Devam etmeden önce kameraların ve veri toplama yazılımının hazır olduğundan emin olun. Bu deney için hazırlanmış olan yaklaşık 10.000 tetrad'ı tanka eklemeye hazırlanın.
Onları tankın üst kısmındaki bağlantı noktasına yakın bir yere yerleştirin. Hazır olduğunuzda portu açın ve parçacıkları tanktaki suya ekleyin. Tüm parçacıklar eklendikten sonra portu kapatın.
Ardından, lazere geçin. Orada, açın ve lazer diyaframını açın. Ardından, ızgarayı üç hertz'de salınan başlatmak için ızgara kontrollerini kullanın.
Tankta, türbülansın tam olarak gelişmesine izin vermek için ızgaranın yaklaşık bir dakika salınmasına izin verin. Bu noktada, veri toplamaya başlayın ve yaklaşık bir milyon kare kaydedin. Çalışmanın sonunda, veri toplamayı durdurun ve lazer açıklığını kapatın.
Tüm deneyler yapıldıktan sonra, tank çıkışına gidin. Buraya, parçacıkları çözeltiden çıkarmak için bir filtre yerleştirin ve tankı boşaltın. Toplanan parçacıkları daha sonra kullanmak üzere nötr yüzdürme solüsyonunda saklayın.
Parçacık konumunu ve yönünü bulmak için yazılımı kullanarak kaydedilen görüntüler üzerinde veri analizi yapın. Aşağıdaki adımlar yazılımda uygulanmaktadır. Dört kamera tarafından yakalanan bir parçacığın dört senkron görüntüsünden başlayarak, üç boyutlu konumunu belirlemek için iki boyutlu bilgileri kullanın.
Kamera kalibrasyon parametrelerini kullanarak aydınlatılan parçacığın üç boyutlu sayısal modelini her kameraya yansıtın. Bu, dört kameranın tümündeki parçacıktan iki boyutlu bir ışık yoğunluğu modeli oluşturur. Ardından, dört kameranın tümünde görülenlere en iyi uyan model yönünü bulmak için doğrusal olmayan en küçük kareler sığdırma rutinini çalıştırın.
Her bir kameraya yansıtılan model ile gözlemlenen parçacık arasındaki farkı en aza indirmek için dört kameradan gelen bilgileri birleştirin. Bu adımlar, tüm kameraların görünümünde parçacıklar bulunan tüm çerçeveler için yapılacaktır. Bu, bir tetradın konum ve yönelim olarak evrimidir.
Tetrad kollarının oryantasyonundaki süreksiz değişikliğe dikkat edin, bu da koruma olmadan mümkün olabilir. Tetrad evriminin bu ikinci versiyonu, yazılımın her çerçeve için yağlayıcı açılarının bir önceki çerçeveye göre en küçük dönüş olmasını sağladığını göstermektedir. Konum ve yön bilgileri daha sonra kullanılmak üzere kaydedilir.
Bu, deneydeki bir tetradın bir kamera görüntüsüdür. İkinci görüntüde, üst üste binen model, algoritma tarafından bulunan yönlendirmeyi gösterir. İki boyutlu yoğunluk modelinin basitliğine rağmen, yöntem parçacık oryantasyonunun doğru ölçümlerini üretir.
Deneyde, oryantasyon bulma algoritması, her parçacığın tüm yörüngesi boyunca yağlayıcı açılarının evrimini elde etmek için kullanılır. Bu, görüntüleme hacmi boyunca bir tetradın tam yörüngesinin yeniden yapılandırılmasıdır. Bu, parçacığın dört kameranın tümü tarafından görüş alanında olduğu her kare için oryantasyonunun ve üç boyutlu koordinatlarının birleştirilmesiyle elde edilir.
Parçanın uzunluğu 229 karedir. Parçacığın ölçeğe göre çizilmediğine dikkat edin. Veriler ayrıca ölçülen yuvarlanma hızının olasılık yoğunluk fonksiyonunun belirlenmesine de izin verir.
Kırmızı kareler haçlar için verilerdir. Mavi daireler krikolar için verilerdir. Düz çizgi, deneysel verilerle çok iyi eşleşen kürelerin sayısal simülasyonunun sonucunu temsil eder.
Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik uygun şekilde yapılırsa üç gün içinde yapılabilir. Bu prosedürü denerken, partiküllerin farklı yoğunluklardaki çözeltilerde birkaç saat kalmasına izin vermek önemlidir. Deney süresi boyunca kameraların düzgün bir şekilde hizalandığından, sabitlendiğinden ve senkronize edildiğinden emin olmak da önemlidir.
Bu prosedürü takiben, 3D baskılı parçacıkların çevredeki akıştaki tam hız gradyan gerginliğine nasıl tepki verdiğini ölçmek için izleyici parçacıkların izlenmesi gibi diğer yöntemler kullanılabilir. Bu videoyu izledikten sonra, dört stereoskopik video görüntüsü kullanarak türbülanslı akıştan hız gradyan gerici hakkında bilgi çıkarmak için anizotropik parçacıkların nasıl kullanılacağını iyi anlamış olmalısınız. Rhodamine-B boyası ve sodyum hidroksit ile çalışmanın tehlikeli olabileceğini ve bu işlemi gerçekleştirirken her zaman eldiven ve gözlük gibi önlemlerin alınması gerektiğini unutmayın.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, değişik şekillerde (örneğin, dama taşları ve haçlar) anizotropik parçacıklar oluşturmak için 3D baskıyı kullanarak türbülan akışlarda davranışlarını araştırmak için kullanılmaktadır. Yöntem, parçacık yönlendirmesi ve dinamiklerinin kesin ölçümlerini sağlayarak akışkanlar dinamiği hakkında bilgiler sunar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Akışkanlar dinamiği
- Parçacık hareket analizi
- 3D baskı teknolojisi
Arka Plan
- Türbülan akışlarda parçacık davranışı anlaşılması çeşitli uygulamalar için önemlidir.
- Geleneksel yöntemler, karmaşık parçacık şekillerini ölçmede sınırlamalara sahiptir.
- 3D baskı, çeşitli parçacık geometrilerini üretmek için yeni bir yaklaşım sunar.
- 3D kameraların ve yönlendirme algoritmalarının kalibasyonu, yeni başlayanlar için zorluklar oluşturabilir.
Çalışmanın Amacı
- 3D baskı kullanarak farklı şekillerde parçacıklar üretmek.
- Bu parçacıkların türbülan akışlardaki hareketini ölçmek ve analiz etmek.
- Karmaşık şekillerin türbülansta nasıl davrandığını anlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Anizotropik parçacıklar oluşturmak için 3D baskı.
- Parçacık hareketini takip etmek için eşzamanlı video görüntüleme.
- Doğru ölçümler için 3D kameraların kalibasyonu.
- Belirli parçacık şekilleri için yön bulma algoritmalarının geliştirilmesi.
Ana Sonuçlar
- Değişik şekillerde parçacıkların başarılı bir şekilde üretimi.
- Türbülan akışlarda parçacık hizalama ve dönüşünün detaylı ölçümleri.
- Türbülansta diskler ve kürelerin dinamiği hakkında bilgiler.
- Yöntemin karmaşık parçacık şekilleri için etkinliğinin gösterilmesi.
Sonuçlar
- Çalışma, türbülan akışlarda parçacık davranışını analiz etmek için yeni bir yöntem sunar.
- 3D baskı, araştırma yeteneklerini artıran karmaşık parçacık şekillerinin oluşturulmasını sağlar.
- Gelecekteki uygulamalar, akışkanlar dinamiği analizi gerektiren çeşitli alanlara genişletilebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This method enables precise measurement of anisotropic particle orientation and rotation in turbulent flows, providing quantitative data for fluid dynamics modeling. The approach supports target validation in preclinical research by offering a reproducible system to study particle behavior under controlled flow conditions. It enhances predictive confidence in lead identification by linking particle dynamics to mechanistic insights in complex environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled observation of particle alignment and rotation in turbulent flow.
- Operational Value: Provides a disease-relevant system for functional target validation by simulating physiological fluid environments.
- Predictive Confidence: Supports portfolio triage by generating quantitative orientation and rotation rate data to de-risk mechanistic assumptions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (via fluorescently dyed particles) for downstream workflows requiring time-resolved motion tracking.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized multi-camera imaging and calibration protocols.
- Scalability: Facilitates production of ~10,000 particles per shape, enabling high-throughput screening readiness and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects discovery through preclinical validation by measuring rotation rates as translational biomarkers of particle response to flow gradients.
- Operational Value: Addresses risk-adjusted advancement decisions by providing probability density functions of tumbling rates under turbulent conditions.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking by isolating variables in particle shape and flow dynamics to clarify biological behavior.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification by enabling hypothesis testing of particle behavior in flow, supporting assay readiness through standardized fabrication, and generating quantitative analytics for condition comparison.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by measuring how particle orientation evolves in turbulent flow.
- Screening: Delivers assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs via four-camera stereoscopic tracking and orientation fitting routines.
- Analytics: Provides measurements of 3D trajectories, orientation evolution, and rotation rate distributions that enable cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by using rotation rate as a biomarker-like readout for particle response to mechanical stress in flow.
- Enterprise Reuse: Frames the particle fabrication and imaging pipeline as a reusable capability across model systems and fluid dynamic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in particle-fluid interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of particle production and motion tracking.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early mechanistic insight.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative orientation and rotation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D camera calibration, stereoscopic imaging, and nonlinear least squares fitting for orientation determination.
- Needs instrumentation including synchronized megapixel cameras (450 fps), laser sheet illumination, and turbulent flow generation via oscillating grids.
- Demands cross-team standardization in particle fabrication, dyeing, and density matching to ensure neutrally buoyant behavior.
- Involves adaptation considerations when applying the orientation algorithm to non-tetrad particle shapes (e.g., crosses, jacks, triads).
- Includes practical limitations such as the need for low-Reynolds number flow (R_λ = 91) to approximate ellipsoidal tracer behavior and avoid particle deformation.
