Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

מידול דפורמציה של סנפיר רך מתנפנף באמצעות הדמיה פלואורסצנטית הנגרמת על ידי לייזר מישורי

Published: April 28, 2022 doi: 10.3791/63784
Automatic Translation
*1, *2, 2, 3, 2
1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

הפרוטוקול הנוכחי כולל מדידה ואפיון של דפורמציה של צורה תלת-ממדית בסנפירי מתנפנף מתחת למים הבנויים מחומרים פולידימתילסילוקסן (PDMS). שחזור מדויק של עיוותים אלה חיוני להבנת הביצועים ההנעה של סנפירי מתנפנפים תואמים.

Abstract

מנגנוני הנעה בהשראת סנפירי מיני דגים שונים נחקרו יותר ויותר, בהתחשב בפוטנציאל שלהם לשיפור יכולות התמרון וההתגנבות במערכות כלי רכב בלתי מאוישים. חומרים רכים המשמשים בממברנות של מנגנוני סנפיר אלה הוכחו כיעילים בהגברת הדחף והיעילות בהשוואה למבנים קשיחים יותר, אך חיוני למדוד ולדגום את העיוותים בממברנות רכות אלה במדויק. מחקר זה מציג זרימת עבודה לאפיון עיוות הצורה התלוי בזמן של סנפירי מתנפנפים תת-ימיים גמישים באמצעות פלואורסצנציה הנגרמת על ידי לייזר מישורי (PLIF). ממברנות סנפיר פולידימתילסילוקסן פיגמנטיות עם נוקשות משתנה (0.38 MPa ו-0.82 MPa) מיוצרות ומורכבות למכלול להפעלה בשתי דרגות חופש: גובה הצליל והגליל. תמונות PLIF נרכשות על פני מגוון של מישורים רוחביים, מעובדות כדי לקבל פרופילי דפורמציה של סנפירים, ומשולבות כדי לשחזר צורות סנפירים מעוותות בתלת-ממד המשתנות בזמן. הנתונים משמשים לאחר מכן כדי לספק אימות בנאמנות גבוהה עבור סימולציות אינטראקציה של מבנה נוזל ולשפר את ההבנה של הביצועים של מערכות הנעה מורכבות אלה.

Introduction

בטבע, מיני דגים רבים התפתחו כדי להשתמש במגוון תנועות גוף וסנפירים כדי להשיג תנועה. מחקר לזיהוי העקרונות של תנועת דגים סייע להניע את התכנון של מערכות הנעה ביולוגיות, כאשר ביולוגים ומהנדסים עבדו יחד כדי לפתח מנגנוני הנעה ובקרה מסוגלים של הדור הבא עבור כלי רכב תת-ימיים. קבוצות מחקר שונות חקרו תצורות סנפירים, צורות, חומרים, פרמטרים של שבץ וטכניקות בקרת עקמומיות פני השטח 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . החשיבות של אפיון יצירת מערבולות קצה ונטיית ההתעוררות להבין את יצירת הדחף במערכות חד-סנפיריות ורב-סנפיריות תועדה במחקרים רבים, הן חישוביים והן ניסיוניים 13,14,15,16,17,18. עבור מנגנוני סנפיר העשויים מחומרים תואמים, המוצגים במחקרים שונים כדי להפחית את נטיית ההתעוררות ולהגדיל את דחף17, חיוני גם ללכוד ולדגום במדויק את היסטוריית זמן העיוות שלהם כדי להתאים לניתוח מבנה הזרימה. לאחר מכן ניתן להשתמש בתוצאות אלה כדי לאמת מודלים חישוביים, ליידע על תכנון ובקרת סנפירים, ולהקל על תחומי מחקר פעילים בטעינה הידרודינמית לא יציבה על חומרים גמישים, הזקוקים לאימות19. מחקרים השתמשו במעקב ישיר אחר צורות מבוססות תמונה במהירות גבוהה בסנפירי כרישים ובעצמים מורכבים אחרים20,21,22, אך צורת הסנפיר התלת-ממדית המורכבת חוסמת לעתים קרובות את הגישה האופטית, מה שמקשה על המדידה. לפיכך, יש צורך דחוף בשיטה פשוטה ויעילה כדי לדמיין תנועת סנפיר גמישה.

חומר הנמצא בשימוש נרחב במנגנוני סנפיר תואמים הוא פולידימתילסילוקסן (PDMS) בשל עלותו הנמוכה, קלות השימוש, יכולתו לשנות נוקשות ותאימות ליישומים תת-ימיים23, כפי שתואר בהרחבה בסקירה של מג'ידי ואחרים. בנוסף ליתרונות אלה, PDMS הוא גם שקוף מבחינה אופטית, אשר תורם למדידות באמצעות טכניקת אבחון אופטית כגון פלואורסצנציה הנגרמת על ידי לייזר מישורי (PLIF). באופן מסורתי במכניקת זורמים ניסיונית25, PLIF שימש כדי לדמיין זרימות זורמים על ידי זריעת הנוזל עם צבע או חלקיקים מרחפים או ניצול מעברים קוונטיים ממינים שכבר נמצאים בזרימה שפליאה כאשר הם נחשפים ליריעת לייזר 26,27,28,29. טכניקה מבוססת היטב זו שימשה לחקר דינמיקת נוזלים בסיסית, בעירה ודינמיקה באוקיינוס 26,30,31,32,33.

במחקר הנוכחי, PLIF משמש להשגת מדידות מרחביות-טמפורליות של עיוות צורה בסנפירים רובוטיים גמישים בהשראת דגים. במקום לזרוע את הנוזל עם צבע, הקינמטיקה התת-ימית של סנפיר PDMS מוצגת בחתכים שונים של אקורדים. למרות שניתן לבצע הדמיית לייזר מישורית על PDMS יצוק רגיל ללא פלואורסצנציה נוספת, שינוי PDMS כדי לשפר את הפלואורסצנציה יכול לשפר את יחס האות לרעש (SNR) של התמונות על ידי הפחתת ההשפעות של רכיבי הרקע, כגון חומרת ההרכבה של הסנפיר. ניתן להפוך את PDMS לפלואורסצנטי על ידי שימוש בשתי שיטות, בין אם על ידי זריעת חלקיקים פלואורסצנטיים או פיגמנטציה. דווח כי עבור יחס חלק נתון, הראשון משנה את הנוקשות של PDMS34 יצוק וכתוצאה מכך. לכן, פיגמנט לא רעיל, זמין מסחרית, היה מעורבב עם PDMS שקוף כדי ליצוק סנפירים פלואורסצנטיים עבור ניסויי PLIF.

כדי לספק דוגמה לשימוש במדידות קינמטיקה של סנפירים אלה לאימות מודלים חישוביים, הקינמטיקה הניסויית מושווית לערכים מהמודלים של אינטראקציה מצומדת-מבנה-נוזל (FSI) של הסנפיר. מודלי ה-FSI המשמשים בחישובים מבוססים על שבעת ה-eigenmodes הראשונים שחושבו באמצעות תכונות החומר הנמדד עבור הסנפירים. השוואות מוצלחות מאמתות מודלים של סנפירים ומספקות ביטחון בשימוש בתוצאות החישוביות לצורך תכנון ובקרה של סנפירים. יתר על כן, תוצאות PLIF מראות כי ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לאמת מודלים נומריים אחרים במחקרים עתידיים. מידע נוסף על מודלים אלה של FSI ניתן למצוא בעבודה קודמת35,36 ובטקסטים בסיסיים של שיטות חישוביות של דינמיקת זורמים37,38. מחקרים עתידיים יכולים גם לאפשר מדידות בו-זמניות של עיוותים מוצקים וזרימת נוזלים למחקרים ניסיוניים משופרים של FSI בסנפירים רובוטיים, רובוטים רכים בעלי השראה ביולוגית ויישומים אחרים. יתר על כן, מכיוון ש- PDMS ואלסטומרים תואמים אחרים נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים, כולל חיישנים ומכשירים רפואיים, הדמיית דפורמציות במוצקים גמישים באמצעות טכניקה זו יכולה להועיל לקהילה גדולה יותר של חוקרים בהנדסה, פיזיקה, ביולוגיה ורפואה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור סנפירים

  1. בנה תבנית סנפיר המבוססת על עיצוב הצורה הרצוי.
    1. תכננו ובנו תבנית מותאמת אישית בגימור מבריק של צורת סנפיר (איור 1) שהודפסה בתלת-ממד. ראה קבצי STL לייצור התבנית בקבצי קידוד משלימים 1-4.
    2. הוסיפו אלמנטים מבניים לתבנית, כגון תקרת פלסטיק קשיחה מודפסת בתלת-ממד. ראה את קובץ STL של ה- spar בקובץ קידוד משלים 2.
  2. ערבב PDMS (ראה טבלת חומרים) ביחס החלק הרצוי.
    1. בחר את יחס החלקים של אלסטומר בסיס לסוכן ריפוי (כלומר, 10:1 או 20:1) כדי להשיג מודולוס אלסטי גבוה או נמוך יותר, בהתאמה. שקול את הכמויות המתאימות של בסיס וקשיח.
      הערה: גם 10:1 וגם 20:1 (אלסטומר לסוכן ריפוי) שימשו במחקר הנוכחי.
    2. מדוד את הפיגמנט הפלואורסצנטי (ראה טבלת חומרים) כך שהתערובת הכוללת מכילה 0.1%-1% פיגמנט לפי משקל, בהתאם לבהירות הרצויה של פיגמנטציה. הוסף את הפיגמנט לתערובת PDMS.
    3. יוצקים את הכמויות הנמדדות של אלסטומר, מקשיח ופיגמנט לתוך מיקסר צנטריפוגלי פלנטרי (ערבוב של 423 x גרם במשך 30 שניות וביטול אוורור ב-465 x גרם ל-30 שניות) וערבבו בהתאם.
  3. מטילים את הסנפיר בתבנית.
    1. דגה ולשפוך את תערובת PDMS לתוך התבנית עבור הסנפיר. מכניסים את התבנית לתנור בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס למשך 45 דקות, ונותנים לה לרפא למשך הלילה ב-37 מעלות צלזיוס.
    2. לאחר השלמת הריפוי, הסירו את סנפיר הגבס מהתבנית (איור 2).
  4. בצע בדיקות מתיחה בהתאם לתקן ASTM39.
    1. עבור כל יציקת סנפיר בשלב 1.3., הטילו דגימה אחת מסוג IV באמצעות אותה תערובת PDMS ופיגמנטים בתבנית בצורת Type IV באמצעות שלבים 1.1.-1.3 שתוארו קודם לכן.
      הערה: ראה את קבצי STL כדי להטיל את הדגימה מסוג IV בקובץ קידוד משלים 5 (תבנית המוצגת באיור 1C), וראה איור 3 דוגמאות לדגימות מסוג IV שנבדקו.
    2. הידקו את דגימת הבדיקה למכונת הבדיקה המתיחה (ראו טבלת חומרים). מדוד את האורך, הרוחב והעובי ההתחלתיים (מ"מ) של קטע הדגימה הצר.
    3. הכפיפו את דגימת הבדיקה למתח במרווחים של 5 מ"מ, מה שמבטיח שהדגימה תישאר מתוחה באזור האלסטי בלבד, ולא מתוחה יתר על המידה. הפחיתו את המתח במרווחים של 5 מ"מ עד שתזוזת הדגימה הכוללת תהיה 0 מ"מ (מיקום מקורי). רשום את האורכים (מ"מ) והכוחות (N) של החלק הצר בכל תוספת.
    4. כדי לחשב את המודולוס האלסטי של המדגם, התווה את עקומת המתח-מתח וקבע את ההתאמה הליניארית הטובה ביותר ואת הערך R2 .

2. מערך וניסויים ניסיוניים

  1. הרכיבו את חומרת PLIF (ראו טבלת חומרים) על מיכל מים מלבני מזכוכית (2.41 מ' x 0.76 מ' x 0.76 מ').
    1. הרכבה ושימוש במערכת לייזר עם פולסים (ראו טבלת חומרים) כדי ליצור יריעת אור מישורית החוצה את המיכל במישור האמצעי שלו בתדר מסוים (30 הרץ), כפי שמוצג באיור 4.
    2. הרכיבו והשתמשו במצלמת 4 מגה-פיקסל מצומדת לטעינה (CCD) המצוידת בעדשה (35 מ"מ) ובמסנן פלואורסצנטי ארוך-פס (560 ננומטר) (ראו טבלת חומרים).
    3. כייל את המרת המיקרומטר לפיקסל על-ידי צילום תמונה בודדת ממצלמת CCD עם סרגל הממוקם במישור יריעת הלייזר (איור 5). בחר שני מיקומים במצלמה וחלק את המרחק במיקרומטרים על ידי הפרדת פיקסלים. ודא שיחס מיקרומטר לפיקסל זה קטן מספיק (תת-מילימטר) עבור היישום.
  2. סנכרן את פולסי הלייזר ותמונות המצלמה עם הסנפיר המתנפנף באמצעות יציאות הדק מתוכנת הסנפיר ואותות ממחולל השהיה ותוכנה משויכת (ראו טבלת חומרים) כדי לתאם את המצלמה, ראשי הלייזר ותנועת הסנפיר. ראה איור משלים 1 לדוגמה של הגדרות ממשק התוכנה של מחולל העיכובים.
    1. הגדר את מערכת הלייזר.
      הערה: ודא שכל אמצעי הבטיחות בלייזר תואמים להנחיות המוסדיות.
      1. הפעילו את מערכת הלייזר על ידי סיבוב מפתח הכוח ימינה כדי להפעיל את הצ'ילר שמקרר את ראשי הלייזר. נורית התקלה מהבהבת עד שהמערכת מוכנה להפעיל את הלייזרים. אל תלחץ על לחצן ההפעלה שמפעיל את הלייזרים עד שכל מצבי הלייזר מוגדרים כראוי.
      2. הגדר את מקור ההדק ל-EXT LAMP/EXT Q-SW (מנורה חיצונית/מתג Q חיצוני).
      3. עבור שני ראשי הלייזר, הגדר את אנרגיית הלייזר לרמה הרצויה (כלומר, כ-60%-80% מהעוצמה המלאה) וודא שמתג ה-Q מופעל על-ידי לחיצה על כל כפתור Q-switch .
      4. הפעל את הלייזרים על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה.
        הערה: מכיוון שמקור ההדק מוגדר ל - EXT LAMP / EXT Q-SW, ראשי הלייזר מוכנים לירי, אך יורים רק לאחר שהמערכת מקבלת הדק חיצוני מהתוכנה.
    2. הגדר את המצלמה.
      1. חבר את כבלי החשמל למצלמה והבטח חיבורים מתאימים למחשב ולתוכנה.
      2. פתח את תוכנת הגדרות המצלמה ובחר את היציאה המתאימה.
        1. תחת הגדרות > הפעלה, הגדר את "הפעל ב: " ל חיצוני ו" מצב:" לצום.
        2. תחת חשיפה, הגדר "בקרת חשיפה" לכיבוי.
      3. פתח את תוכנת לכידת המצלמה ובחר את כרטיס המצלמה המתאים.
        1. לחץ על לחצן תפוס רצף .
        2. לחץ על כפתור הגדרות לכידה , בחר תמונות TIFF, בחר סדרת מסגרות ..., ובחר את נתיב הקובץ הרצוי, מספר בן 6 ספרות, רציף וקבל.
        3. לחץ על התחל לכידה.
          הערה: מכיוון שהגדרות המצלמה מוגדרות כגורם מפעיל חיצוני, המצלמה מוכנה לאסוף תמונות אך לוכדת תמונות אלה רק לאחר שהמערכת מקבלת טריגר חיצוני מהתוכנה.
    3. הגדר את מחולל ההשהיה.
      1. הפעל את מחולל ההשהיה, וחבר את ערוץ השער החיצוני להדק הסנפיר, ערוצים A-D ללייזר (A: ראש לייזר 1, B: מתג Q ללייזר 1, C: ראש לייזר 2, ו- D: מתג Q ללייזר 2), וערוץ E למצלמה.
      2. פתח את תוכנת מחולל ההשהיה.
      3. בחר את "מצב הדופק" ל-Burst ואת "רזולוציית המערכת" ל-4 ns.
      4. הגדר את "תקופה (ות)" ל - 0.0333333352.
      5. הגדר את "מצב ההדק/שער החיצוני" למצב מופעל, "סף (V)" ל - 0.20 ו- "קצה ההדק" כ - Rising.
      6. בערוצים > Ch A, לחץ על תיבת הסימון מופעל. הגדר את "השהיה (s)" ל- 0.000000004, "רוחב (s)" ל- 0.0050000000, "משרעת (V)" עד 5.00, "מצב ערוץ" למחזור עבודה, "ספירת המתנה" עד 0, "מקור סינכרון" עד T0, "קוטביות" לנורמה, "Multixer" עד A, "מחזור עבודה מופעל" ל- 1, "מחזור עבודה כבוי" ל- 1 ו- "מצב שער" ל- Disabled.
      7. בערוצים > Ch B, לחץ על תיבת הסימון מופעל. הגדר את "השהיה (s)" ל- 0.000138000, "רוחב (s)" עד 0.005000000, "משרעת (V)" עד 5.00, "מצב ערוץ" למחזור חובה, "ספירת המתנה" עד 0, "מקור סינכרון" עד Ch A, "קוטביות" לרגיל, "Multixer" עד B, "מחזור עבודה מופעל" ל- 1, "מחזור עבודה כבוי" ל- 1 ו" מצב שער " ל- Disabled.
      8. בערוצים > Ch C, לחץ על תיבת הסימון מופעל. הגדר את "השהיה (s)" ל- 0.033333304, "רוחב (s)" ל- 0.005000000, "משרעת (V)" ל- 5.00, "מצב ערוץ" למחזור משימות, "ספירת המתנה" עד 0, "מקור סינכרון" עד Ch A, "קוטביות" לרגיל, "Multixer" עד C, "מחזור עבודה מופעל" ל- 1, "מחזור עבודה כבוי" ל- 1 ו- "מצב שער" ל- Disabled.
      9. בערוצים > Ch D, לחץ על תיבת הסימון זמין. הגדר את "השהיה (s)" ל- 0.000138000, "רוחב (s)" ל- 0.005000000, "משרעת (V)" עד 5.00, "מצב ערוץ" למחזור עבודה, "ספירת המתנה" עד 0, "מקור סינכרון" עד Ch C, "קוטביות" לרגיל, "Multixer" עד D, "מחזור עבודה מופעל" עד 1, "מחזור עבודה כבוי" ל- 1 ו" מצב שער " ל- Disabled.
      10. בערוצים > Ch E, לחץ על תיבת הסימון זמין. הגדר את "השהיה (s)" ל- 0.000000004, "רוחב (s)" ל- 0.0050000000, "משרעת (V)" עד 5.00, "מצב ערוץ" לרגיל, "ספירת המתנה" עד 0, "סנכרן מקור" עד T0, "קוטביות" לנורמה, "ריבוי" ל- E ו" מצב שער " ל- מושבת.
  3. יישרו את הסנפיר כך שיריעת הלייזר תעבור דרך מקטע אחד של הסנפיר במיקום נבחר לאורך זמן ואבטחו את פלטפורמת הסנפיר באמצעות חומרת ההרכבה.
  4. חברו את הכוח לחומרת בקרת הסנפיר ולמנועי הסנפיר (ראו טבלת חומרים) כדי להתחיל לנפנף סנפירים עם הקינמטיקה שנבחרה, ולכבות את כל פנסי הסביבה.
  5. לחץ על הפעל בתוכנת מחולל ההשהיה כדי להתחיל בניסויים המסונכרנים ולרכוש תמונות של ההצטלבות של יריעת הלייזר עם הסנפיר לאורך מחזור השבץ. זה צריך להתבצע על פני 200+ מחזורי שבץ.
  6. לחץ על עצור בתוכנת מחולל ההשהיה ונתק את הסנפיר ממקור החשמל.
  7. הזז את פלטפורמת הסנפיר כך שיריעת הלייזר תצלב במיקום חדש ובצע ניסויים כדי להשיג את התמונות שוב. חזור על שלבים 2.3.-2.6. עבור מספר המדידות הרצויות (שמונה מיקומים שונים לאורך כל הדרך, כפי שמוצג על-ידי הקווים המקווקווים השחורים באיור 2A).
  8. החלף את הסנפיר בממברנות סנפיר רצויות נוספות (שתי נוקשות סנפירים, PDMS 10:1 ו- PDMS 20:1) וחזור על הניסויים.

3. ניתוח תמונות

  1. עבור כל ניסוי ניסיוני שנערך בשלב 2.4., אתר את הקובץ שבו מאוחסנות התמונות וצור תיקיית משנה עבור כל מיקום סנפיר או פאזה לאורך מחזור השבץ. מיין את קבצי התמונה לתיקיות המשנה המתאימות להם.
  2. עבור כל תיקיית משנה של שלב סנפיר, קרא את 200+ התמונות כמערכים בעלי ערכי פיקסלים (imread.m). סכם את מערכי ערכי הפיקסלים עבור כל התמונות וחלק במספר התמונות כדי ליצור תמונה ממוצעת. כתוב את התמונה לקובץ חדש (imwrite.m). חזור על שלב זה עבור כל מיקום סנפיר לאורך מחזור הקו (30 מיקומים).
  3. בצע שיפור היסטוגרמה בכל תמונה ממוצעת (imadjust.m) כדי להרחיב את טווח העוצמה הדינמית של התמונות למלוא הטווח הזמין כדי לשפר את הניגודיות בין הסנפיר לרקע.
  4. הגדר את ספי העוצמה ובצע בינאריזציה של כל תמונה כדי לקבל תמונה בשחור-לבן (imbinarize.m). הצורות הלבנות המתקבלות צריכות להתאים לחתיכות של חתך הסנפיר.
  5. חלץ את כל האובייקטים הלבנים (חתיכות סנפיר) מהתמונה הבינארית (bwareafilt.m), והצג את התמונה (imshow.m). צור עקבות של גבול התמונה הבינארית עבור כל תמונה כדי לקבל צורה דו-ממדית על-ידי בחירת כל הפיקסלים הסנפירים (הלבנים) שנוגעים בפיקסלי הרקע (השחור) (bwboundaries.m).
    הערה: עקב קינמטיקה של סנפירים שנכפתה, התצוגה של חתך הרוחב שנמדד ב-PLIF במסגרות מסוימות עשויה להיות מוסתרת על-ידי חלק אחר של הסנפיר. במקרים כאלה, או שאין צורת סנפיר קוהרנטית הנראית לעין מהתמונות, או שרק הקצה המוביל (LE) נשאר גלוי (איור 6).
  6. בצע שלבים 3.1.-3.5. עבור כל חתך סנפיר.

4. שחזור של סטייה תלת-ממדית

  1. בהנחה שמיקום ה-LE (לפחות קרוב יותר לציר הקו) במקרים הגמישים זהה לזה של ה-LE בסנפיר קשיח באותה צורה, קו את המישור שחותך לאורך ה-LE שלהם לאותו שלב-זמן, והשווה לתוצאות מצורת הסנפיר הנוקשה המתאימה.
  2. השתמש בהתאמה של ריבועים מזעריים כדי להעריך את צורת קו האמצע המתקבלת של חתך הסנפיר עבור כל חתכי המישור ולשחזר את צורת הסנפיר התלת-ממדית באמצעות גוף קמור פשוט מפרופילים מותאמים אלה.
  3. השווה את צורות הסנפיר המתקבלות עם מודלי FSI תלת-ממדיים (שנוצרו מקווי המרכז שלהם) כדי להציג כיצד תהליך זה יכול לשמש כאימות בנאמנות גבוהה.
    1. צור טריאנגולציה משטחית של הניילון הנוקשה חלקית וסנפיר PDMS גמיש חלקית.
    2. השתמש בתוכנת דינמיקה מבנית מסחרית (ראה טבלת חומרים) כדי לקבל את ה- eigenmodes של החומר ההיברידי.
      1. בצע מחקרי קנה מידה כדי להתאים את התזוזה במצב יציב המתקבלת באמצעות הפרש לחץ אחיד על משטחי הסנפיר.
      2. שנה את קנה המידה של המצבים כך שיתאימו לתזוזה המתקבלת מהתוכנה.
    3. עם גורם קנה המידה הנכון, השתמש במצבים הדומיננטיים הראשונים (בדרך כלל 7 או 8) המשמשים בפותר FSI המצומד כדי לדמות את הזרימה הלא יציבה מעל הסנפיר הגמיש.
      1. התייחסו לגוף כאל ישות מוטבעת ברשת רקע.
        הערה: הפותר המצומד אומת עבור בעיית טורק-הרון של זרימה מעל גליל עגול עם עקיצה גמישה בחלק האחורי35 והורחב להדמיות סנפיר מתנפנפות36.
      2. רשום את הקינמטיקה של תנועת הסנפיר מהניסויים.
      3. עקוב אחר היסטוריית הזמן של ייצור הכוח וצורת הסנפיר לאורך מספר חתכי מישור לאורך מחזור ההתנפלות, והשווה לניסויים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

סנפיר חזה מלאכותי בהשראת דג טרפז יצוק בשני חומרים שונים (PDMS 10:1 ו-20:1, שניהם מעורבבים עם צבע פלואורסצנטי) מתוך תבנית, שלכל אחד מהם הוכנס ספר קשיח בעל קצוות קדמיים לתוך האקורד המוביל (איור 2 ואיור 3). בדיקות מתיחה של שני חומרי הסנפיר (איור 3) הניבו מודולי אלסטי של 0.38 MPa ו-0.82 MPa עבור סנפירי PDMS 20:1 ו-PDMS 10:1, בהתאמה, עם R2 של 0.99 עבור שתי המדידות (ראו איור משלים 2 עבור עקומות המתח-מתח המתאימות).

כדי ללכוד את תנועת הסנפיר, המצלמה הוצבה כך שיחס המיקרומטר לפיקסל בשדה הראייה הממוקד היה 125 מיקרומטר לפיקסל. מחולל השהיה היה מחווט ותוכנת להפעיל את הלייזר והמצלמה במרווחי זמן של 30 מרווחים שווים לכל שבץ סנפיר בהתבסס על אות הדק יחיד בנקודת האמצע של כל שבץ סנפיר. הסנפיר הוצב כך שיריעת הלייזר עברה דרך קטע אקורדים של הסנפיר. זה נעשה במשך שמונה מיקומים מ-1.876 ס"מ עד 13.132 ס"מ משורש גאומטריית הסנפיר (איור 2).

עבור כל חתך, התקבלו 200+ תמונות עבור כל אחד מ-30 מיקומי פעימות (שלבים). הקינמטיקה המתוכנתת הניבה משרעת שבץ של ±43° ומשרעת גובה של ±17° (איור 7A,B). בשל החרטום הנוקשה, חתך הסנפיר לא נראה בכל שלב (איור 6), אך חסימות אלה היו דלילות ולא השפיעו על השחזורים התלת-ממדיים הכוללים. בעקבות מיון התמונות, ממוצע, סף, בינאריזציה ואיתור, נבנה ייצוג תלת-ממדי. שחזור תלת-ממדי זה הושווה לתוצאות מודל FSI ולמבנה של מודל סנפיר קשיח. ההנחה היא שמיקום ה-LE במקרים הגמישים זהה לזה של ה-LE בסנפיר הנוקשה באותה צורה. עם זאת, ההפחתה המשמעותית בנוקשות הכוללת שעברה מהנוקשה לסנפיר הרך הביאה להעמסה לאורך זמן, והוסיפה סטייה לא זניחה יחד עם ה-LE לעיצוב הנוכחי.

איור 7C,D ממחיש את ההשוואות האלה בשני מיקומים בשבץ, אחד באמצע המשחה (t = 0 s) ואחד באמצע מכת ההנמכה (t = 0.567 שניות). האיור מדגים את העקמומיות האקורדית המושרה על ידי לחץ נוזל על סנפיר PDMS 10:1, מה שמוביל לתזוזת אקורד מנורמלת ממוצעת של הקצה הנגרר בקטע האקורד הארוך ביותר של תזוזה/אקורד (d/c) = 0.36 במכת אמצע ו-d/c = 0.33 במכת ההנמכה האמצעית, כפי שנמדד בניסויים. זאת בהשוואה ל- d/c = 0.44 באמצע מכת מעלה ו- d/c = 0.39 באמצע מכת מטה מהדמיות ה- CFD עם מודל FSI. התוצאות גם מדגימות סטייה מסוימת לאורך הקצה המוביל בניסויים, שלא עוצבה עבור הסימולציות.

השוואות נוספות נעשו בין עיוותי הצורה של סנפירי PDMS 10:1 ו-PDMS 20:1 (איור 8A). באמצע המשחה (t = 0 s,) תזוזת הקצה הנגרר בקטע האקורד הארוך ביותר נמדדה כ- d/c = 0.36 עבור סנפיר PDMS 10:1 ו- d/c = 0.51 עבור PDMS 20:1. לבסוף, איור 8B מציג את צורות הסנפיר התלת-ממדיות המשוחזרות מה-PLIF, ה-FSI והמקרים הקשיחים במכת האמצע (t = 0.567s). זה מדגים את היכולת של הטכניקה הנוכחית לספק אימות בנאמנות גבוהה עבור סימולציות FSI.

בנוסף למדידות של היסטוריית הזמן של העיוות, כפי שפורט קודם לכן, מדידות ישירות של דחף וכוח מכני מספקות נתונים חשובים לניתוח ביצועי הנעת סנפיר. עבור הקינמטיקה שהוצגו, סנפיר PDMS 10:1 הפיק דחף ממוצע של Fx = 0.51 N, שנמדד עם תא עומס מד מאמץ, והספק כולל ממוצע של Pm = 2.38 W, שנמדד עם חיישני זרם ומתח. כוח דחף והידרודינמי המחושב מהדמיית CFD עבור שדה PDMS 10:1 הניב Fx = 0.50 N ו- Ph = 0.49 W. סנפיר PDMS 20:1 הפיק דחף שבץ ממוצע שנמדד בניסוי של Fx = 0.48 N וחזקה ממוצעת של Pm = 2.30 W. ההספק ההידרודינמי היווה כ-20% מכלל ההספק, בעוד שהפסדים מכניים במנוע תרמו יותר לצריכת החשמל. ככזה, ההבדלים בהספק ההידרודינמי וביעילות היו יכולים להשתנות באופן משמעותי בין סנפירים בעלי תכונות חומר שונות, אך ההספק הכולל נותר עקבי יחסית.

Figure 1
איור 1: תבניות פלסטיק מותאמות אישית ליציקת הסנפירים (A ו-B) ודגימות בדיקת מתיחה (C). התבניות והדלילות הנוקשות של הסנפירים הודפסו בתלת-ממד בפלסטיק קשיח (שחור ואפור), והסנפירים ודגימות הבדיקה המתיחה נוצקו מ-PDMS מעורבב עם צבע פלואורסצנטי (ורוד). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: גאומטריה של תכנון סנפירים בעלי השראה ביולוגית המשמשת בניסויים. (A) מודל CAD הממחיש את סנפיר ה-spar הנוקשה (אפור) ו-PDMS סנפיר (כחול), עם קווים שחורים מקווקווים המציינים את חתכי האקורדים המשמשים בניסויים פלואורסצנטיים הנגרמים על-ידי לייזר מישורי (PLIF). (B) סנפיר PDMS פלואורסצנטי (ורוד) עם ספאר פלסטיק קשיח (לבן). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: דוגמה לדגימות בדיקה מוגמרות של סנפיר ומתיחה. סנפיר PDMS יצוק עובש עם ספאר קשיח שחור (משמאל) ושלוש דוגמאות של דגימות מסוג IV (מימין) לבדיקת מתיחה כדי לקבל את תכונות החומר של כל אצווה של PDMS פלואורסצנטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: מערך ניסויי. (A) תצוגת CAD תלת-ממדית של מערך הניסוי עם הלייזר והאופטיקה, יריעת לייזר ירוקה, מיכל, סנפיר המותקן על פלטפורמה ומצלמה. (B) תמונה לדוגמה המציגה את הסנפירים המותקנים במיכל, כאשר הלייזר מופעל ומצלמה נראית בקצה הימני. למרות ששני סנפירים מוצגים במערך סנפירי טנדם זה, שיכולים לקבל את הקינמטיקה למחקרים עתידיים של אינטראקציות סנפיר-סנפיר, מדידות PLIF נרשמו רק עבור הסנפיר הקדמי במחקר זה. יתר על כן, התמונה מכילה תאורת סביבה כדי להמחיש את ההגדרה, אך אורות הסביבה כבו במהלך כל הניסויים כדי לשפר את יחס האות לרעש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: תמונת כיול. לפני הפעלת הניסויים, תמונות כיול התקבלו באמצעות סרגל רגיל למדידת יחס המיקרומטר לפיקסל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: תמונות סנפיר של שלושה שלבי זמן מכוסות, עם דוגמה מייצגת של חסימת סנפירים בשלב מסוים. חתך הסנפיר נראה בשלבים 1 ו-3, ואילו ה-spar הנוקשה האטום מסתיר את הסנפיר בשלב 2, כאשר הערכה של מיקום הסנפיר מצוירת בצהוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
איור 7: קינמטיקה של סנפירים. (A) משרעת השבץ (±43°) ו-(B) משרעת המגרש (±17°) של קינמטיקה של הסנפיר לאורך זמן. השוואה של סנפיר PDMS 10:1 (כחול בהיר), נתוני FSI של סנפיר PDMS 10:1 (אדום) וסנפיר קשיח (שחור) כדי להמחיש את ההבדל במיקום הסנפיר בשני שלבי זמן במשחה (C) ובמכת מטה (D). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 8
איור 8: השוואה בין דפורמציה של סנפירים. (A) השוואה של שיטת PLIF לקבלת קינמטיקה של סנפירים בדוגמה אחת של שלב זמן כדי להדגים את ההשפעות של נוקשות על דפורמציית סנפירים. מדידת PLIF עבור סנפיר PDMS תואם יותר ביחס של 20:1 (כחול כהה) מראה יותר דפורמציה מאשר סנפיר PDMS קשיח יותר ביחס של 10:1 (כחול בהיר), ושניהם מראים הבדלים משמעותיים מסנפיר קשיח (שחור). (B) צורות סנפיר משוחזרות בתלת-ממד מה-PLIF עבור 10:1 PDMS, FSI עבור PDMS 10:1, ומקרים קשיחים בשלב זמן לדוגמה אחד כדי להשוות את התאמת המשטח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור משלים 1: ממשק תוכנה למחולל ההשהיה. ממשקי המשתמש לתוכנה לשליטה במחולל ההשהיה, עם הגדרות להפקת תמונות PLIF ב-30 הרץ על ידי תיאום התזמון של שני ראשי הלייזר והמצלמה עם ההדק של הסנפיר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: תוצאות בדיקת מתיחה עבור PDMS. עקומות מתח-מאמץ לשני תערובות של PDMS (20:1, תערובת גמישה יותר עם מודולוס אלסטי של 0.38 MPa, ו-10:1, תערובת קשיחה יותר עם מודולוס אלסטי של 0.82 MPa). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קידוד משלים 1: "Assembly2.stl" הוא הרכבה של קבצים להדפסה תלת-ממדית של תבניות הסנפיר המותאמות אישית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קידוד משלים 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" הוא קובץ STL להדפסת תוספת הסנפיר, חלק קשיח של הסנפיר המשמש כחיבור לסרבו. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קידוד משלים 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" הוא החצי השמאלי של תבנית ההדפסה התלת-ממדית עבור הסנפיר הגמיש .

קובץ קידוד משלים 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" הוא החצי הימני של תבנית ההדפסה התלת-ממדית עבור הסנפיר הגמיש .

קובץ קידוד משלים 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" היא תבנית ההדפסה התלת-ממדית ליצירת דגימות מסוג IV לבדיקות מתיחה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פלואורסצנציה מישורית המושרה בלייזר משמשת בדרך כלל להדמיית זרימות מימיות על ידי זריעת הנוזל עם צבע, אשר פלואורסצנטי כאשר הוא נחשף ליריעת לייזר25,26. עם זאת, השימוש ב- PLIF כדי לדמיין עיוותים בחומרים תואמים לא דווח בעבר, ומחקר זה מתאר גישה להשגת מדידות היסטוריית זמן של עיוות צורה ברזולוציה גבוהה בסנפירי מוצק גמישים באמצעות PLIF. השוואת מדידות סנפיר אלה עם סימולציות FSI מאמתת את המודלים המספריים ומספקת ביטחון נוסף בשימוש בתוצאות חישוביות לתכנון ובקרה של סנפירים.

בין המגבלות של PLIF עבור חומרים תואמים, אפיון דפורמציה כולל חסימה עקב אלמנטים אטומים במבנה (ה-spar הנוקשה המוביל במחקר זה). בנוסף, טכניקת PLIF מושפעת מהשתקפות פנימית כוללת (TIR), המתרחשת כאשר זווית ההיארעות המקומית של האור בממשק PDMS-water עולה על הערך הקריטי המשויך. למרות שסנפירי ה-PDMS יצוקים שקופים מבחינה אופטית, יש להם מקדם שבירה גבוה בהרבה (1.49) מאשר מים (1.33), מה שמוביל לעיוות אופטי ולחסימה עם זווית קריטית של 63.5°. לכן, כאשר יש עיוות גדול (למשל, ליד קצות הסנפירים במחקר הנוכחי), זווית ההיארעות המקומית עשויה לעלות על 63.5°. כתוצאה מכך, קרן הלייזר המקרית מוחזרת בחזרה לתוך הסנפיר, וכתוצאה מכך נוצר "שטח פלואורסצנטי" גדול בהרבה בתמונה שצולמה, מה שמשפיע על איכות התמונה והצורות שזוהו מטכניקה זו. אחת השיטות לפתרון בעיה זו למחקרים עתידיים היא שימוש בנוזל עבודה אופטי המותאם לאינדקס, כגון תמיסת נתרן יודיד (NaI)40. עם זאת, הדבר נחשב מחוץ לתחום המחקר הנוכחי מכיוון שנושא זה אינו משפיע על רוב חתכי הסנפיר.

כאשר התאמת אינדקס אופטי אינה אפשרית, ניתן להתאים את ריכוז הפיגמנט הפלואורסצנטי במהלך היציקה כדי למתן השפעה זו. ריכוזים גבוהים יותר של הצבע הפלואורסצנטי יכולים לשפר את ה- SNR, אך אם יש יותר מדי פיגמנט והעקמומיות (הסטייה) של הסנפיר גבוהה, ההשפעה של ההשתקפות הפנימית יכולה להיות חזקה מדי. זה יכול לגרום להתרחבות התמונה עבור פרופילים אלה. בנוסף, יש לשקול שיקולים חזקים כדי לקבוע את זווית ההיארעות האופטימלית של לייזר ביחס לסטייה הדומיננטית הצפויה (אם בכלל) כדי למזער את ההשפעה של השתקפויות פנימיות. לשם המחשה, פרופילי החתך משתנים עבור הקווים למעלה ולמטה. באחרונה, כאשר האור נשבר דרך צד ה-LE של הסנפיר, הוא עבר מספר השתקפויות פנימיות במיקומים הבאים, מה שהפך את צורת הפרופיל להרחבה משמעותית. עבור העלייה, נורית האירוע לא תקשרה עם החלקים הנוקשים או הגמישים של הסנפירים יותר מפעם אחת, וכתוצאה מכך נוצר פרופיל חד. וריאציה זו מונעת ממסכת פרופיל כללית להיווצר באופן אלגוריתמי, שכן היקף ההעברה וההשתקפות משתנה גם במהלך מחזור השבץ. למרות שניתוח התמונה רואה סף דינמי כדי לטפל בכך, עדיין מאתגר ליצור מעטפת חתך באופן אוטומטי.

המשטח הקעור נוטה יותר להשתקפויות פנימיות מאשר הצד הקמור. לפיכך, נבחנה גישה חלופית לקבלת פרופיל מדויק יותר של קו האמצע על ידי היסט המשטח הקמור בעובי הסנפיר החצי ממוצע. עם זאת, הפרופיל שהתקבל לא השתנה באופן משמעותי בהשוואה לזה שהתקבל על ידי ההתאמה הכי פחות מרובעת.

יתר על כן, בדיקות המתיחה והתאמת העקומה שלאחר מכן מניחות קשר ליניארי של מתח-מתח עבור זנים קטנים39. עם זאת, הנחה זו אינה תקפה עבור דפורמציות גדולות יותר, המשפיעות על ה- eigenfrequencies המחושבים המשמשים כתשומות למודל FSI. המאמצים להשיג חיזוי FSI מדויק יותר על ידי התחשבות בהשפעות לא ליניאריות כאלה נחשבים מחוץ לתחום הנוכחי אך רלוונטיים למחקרים עתידיים.

לפיכך, מחקר זה הדגים את ההשפעה של נוקשות סנפירים על סנפירים רובוטיים בעלי השראה ביולוגית ותקף את המודלים החישוביים. בשילוב מדידות אלה של דפורמציות מוצקות עם מדידה סימולטנית של זרימות נוזלים כמתואר במחקרי PLIF אחרים25, מחקרים עתידיים ישפרו את הניתוח הניסויי של FSI בסנפירים רובוטיים, רובוטים רכים בעלי השראה ביולוגית ויישומים אחרים על ידי שילוב צבעים הפלואורסים באורכי גל שונים ובמצלמות מרובות. בשל השימוש הנרחב ב-PDMS בתחומי מחקר אחרים24, לטכניקת PLIF זו של הדמיית דפורמציות במוצקים גמישים יש פוטנציאל להועיל לקהילות של חוקרים בהנדסה, פיזיקה, ביולוגיה ורפואה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי המשרד למחקר ימי באמצעות תוכנית בסיס 6.2 של מעבדת המחקר הימית של ארה"ב (NRL) ובוצע בזמן שקושיק סמפאת היה עובד בחטיבת האקוסטיקה ב- NRL וניקול שו החזיקה בפרס עמית מחקר NRC במעבדות לפיזיקה חישובית ודינמיקת נוזלים ב- NRL. המחברים רוצים להודות לד"ר רובן הורטנסיוס (TSI Inc.) על תמיכה טכנית והדרכה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (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. , Academic Press. San Diego. (2001).
  29. Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (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. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).
  38. Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
  39. D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (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).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 182
מידול דפורמציה של סנפיר רך מתנפנף באמצעות הדמיה פלואורסצנטית הנגרמת על ידי לייזר מישורי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sampath, K., Xu, N., Geder, J.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter