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Bioengineering

प्लैनर लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति इमेजिंग का उपयोग कर नरम फिन विरूपण मॉडलिंग फड़फड़ाना

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

वर्तमान प्रोटोकॉल में पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) सामग्री के साथ निर्मित पानी के नीचे फड़फड़ाने वाले पंखों में 3 डी आकार विरूपण का माप और लक्षण वर्णन शामिल है। इन विरूपणों का सटीक पुनर्निर्माण अनुपालन फड़फड़ाने वाले पंखों के प्रोपल्सिव प्रदर्शन को समझने के लिए आवश्यक है।

Abstract

विभिन्न मछली प्रजातियों के पंखों से प्रेरित प्रोपल्सिव तंत्र पर तेजी से शोध किया गया है, मानव रहित वाहन प्रणालियों में बेहतर पैंतरेबाज़ी और चुपके क्षमताओं के लिए उनकी क्षमता को देखते हुए। इन फिन तंत्रों की झिल्ली में उपयोग की जाने वाली नरम सामग्री अधिक कठोर संरचनाओं की तुलना में जोर और दक्षता बढ़ाने में प्रभावी साबित हुई है, लेकिन इन नरम झिल्ली में विरूपणों को सटीक रूप से मापना और मॉडल करना आवश्यक है। यह अध्ययन प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति (PLIF) का उपयोग करके लचीले पानी के नीचे फड़फड़ाने वाले पंखों के समय-निर्भर आकार विरूपण की विशेषता के लिए एक वर्कफ़्लो प्रस्तुत करता है। पिगमेंटेड polydimethylsiloxane फिन झिल्ली अलग-अलग कठोरता (0.38 MPa और 0.82 MPa) के साथ गढ़े जाते हैं और स्वतंत्रता के दो डिग्री में एक्चुएशन के लिए एक असेंबली में घुड़सवार होते हैं: पिच और रोल। PLIF छवियों spanwise विमानों की एक श्रृंखला भर में अधिग्रहित कर रहे हैं, फिन विरूपण प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए संसाधित, और समय-अलग 3 डी विकृत पंख आकृतियों के पुनर्निर्माण के लिए संयुक्त. डेटा का उपयोग तब द्रव-संरचना इंटरैक्शन सिमुलेशन के लिए उच्च-निष्ठा सत्यापन प्रदान करने और इन जटिल प्रणोदन प्रणालियों के प्रदर्शन की समझ में सुधार करने के लिए किया जाता है।

Introduction

प्रकृति में, कई मछली प्रजातियां लोकोमोशन प्राप्त करने के लिए विभिन्न प्रकार के शरीर और पंख गतियों का उपयोग करने के लिए विकसित हुई हैं। मछली लोकोमोशन के सिद्धांतों की पहचान करने के लिए अनुसंधान ने जैव-प्रेरित प्रणोदन प्रणालियों के डिजाइन को चलाने में मदद की है, क्योंकि जीवविज्ञानी और इंजीनियरों ने पानी के नीचे के वाहनों के लिए सक्षम अगली पीढ़ी के प्रणोदन और नियंत्रण तंत्र विकसित करने के लिए एक साथ काम किया है। विभिन्न शोध समूहों ने फिन कॉन्फ़िगरेशन, आकार, सामग्री, स्ट्रोक पैरामीटर, और सतह वक्रता नियंत्रण तकनीकों का अध्ययन कियाहै 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . एकल और बहु-फिन प्रणालियों में जोर पीढ़ी को समझने के लिए टिप भंवर पीढ़ी और जागने के झुकाव की विशेषता के महत्व को कम्प्यूटेशनल और प्रयोगात्मक दोनों 13,14,15,16,17,18 में कई अध्ययनों में प्रलेखित किया गया है। अनुरूप सामग्री से बने फिन तंत्र के लिए, जागने के झुकाव को कम करने औरजोर 17 बढ़ाने के लिए विभिन्न अध्ययनों में दिखाया गया है, प्रवाह संरचना विश्लेषण के साथ जोड़ी बनाने के लिए उनके विरूपण समय-इतिहास को कैप्चर करना और सटीक रूप से मॉडल करना भी आवश्यक है। इन परिणामों का उपयोग तब कम्प्यूटेशनल मॉडल को मान्य करने, फिन डिजाइन और नियंत्रण को सूचित करने और लचीली सामग्रियों पर अस्थिर हाइड्रोडायनामिक लोडिंग में सक्रिय अनुसंधान क्षेत्रों की सुविधा प्रदान करने के लिए किया जा सकता है, जिन्हें सत्यापन19 की आवश्यकता होती है। अध्ययनों ने शार्क पंखों और अन्य जटिल वस्तुओं20,21,22 में प्रत्यक्ष उच्च गति वाली छवि-आधारित आकार ट्रैकिंग का उपयोग किया है, लेकिन जटिल 3 डी फिन आकार अक्सर ऑप्टिकल एक्सेस को अवरुद्ध करता है, जिससे इसे मापना मुश्किल हो जाता है। इस प्रकार, लचीली फिन गति की कल्पना करने के लिए एक सरल और प्रभावी विधि की आवश्यकता है।

अनुपालन फिन तंत्र में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एक सामग्री पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) है, इसकी कम लागत, उपयोग में आसानी, कठोरता को अलग करने की क्षमता, और पानी के नीचे के अनुप्रयोगों के साथ संगतता23, जैसा कि माजिडी एट अल.24 द्वारा समीक्षा में बड़े पैमाने पर वर्णित है। इन लाभों के अलावा, पीडीएमएस भी ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी है, जो एक ऑप्टिकल नैदानिक तकनीक जैसे प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति (पीएलआईएफ) का उपयोग करके माप के लिए अनुकूल है। परंपरागत रूप से प्रयोगात्मक द्रव यांत्रिकी25 के भीतर, PLIF का उपयोग डाई या निलंबित कणों के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करके या प्रवाह में पहले से ही प्रजातियों से क्वांटम संक्रमण का लाभ उठाकर द्रव प्रवाह की कल्पना करने के लिए किया गया है जो लेजर शीट 26,27,28,29 के संपर्क में आने पर फ्लोरेसेस करते हैं। इस अच्छी तरह से स्थापित तकनीक का उपयोग मौलिक द्रव गतिशीलता, दहन और महासागर गतिशीलता 26,30,31,32,33 का अध्ययन करने के लिए किया गया है।

वर्तमान अध्ययन में, PLIF का उपयोग लचीली मछली से प्रेरित रोबोट पंखों में आकार विरूपण के spatiotemporally हल माप प्राप्त करने के लिए किया जाता है। डाई के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करने के बजाय, पीडीएमएस फिन के पानी के नीचे कीनेमैटिक्स को विभिन्न कॉर्डवाइज क्रॉस-सेक्शन पर कल्पना की जाती है। यद्यपि प्लानर लेजर इमेजिंग को अतिरिक्त प्रतिदीप्ति के बिना नियमित रूप से कास्ट पीडीएमएस पर किया जा सकता है, प्रतिदीप्ति को बढ़ाने के लिए पीडीएमएस को संशोधित करने से पृष्ठभूमि तत्वों के प्रभाव को कम करके छवियों के सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) में सुधार हो सकता है, जैसे कि फिन बढ़ते हार्डवेयर। पीडीएमएस को दो तरीकों को नियोजित करके फ्लोरोसेंट बनाया जा सकता है, या तो फ्लोरोसेंट कण सीडिंग या रंजकता द्वारा। यह बताया गया है कि, किसी दिए गए भाग अनुपात के लिए, पूर्व परिणामी कास्ट पीडीएमएस34 की कठोरता को बदल देता है। इसलिए, एक nontoxic, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध वर्णक पारदर्शी PDMS के साथ मिश्रित किया गया था ताकि PLIF प्रयोगों के लिए फ्लोरोसेंट पंख डाले जा सकें।

कम्प्यूटेशनल मॉडल सत्यापन के लिए इन फिन कीनेमेटीक्स मापों का उपयोग करने का एक उदाहरण प्रदान करने के लिए, प्रयोगात्मक कीनेमेटिक्स की तुलना तब फिन के युग्मित द्रव-संरचना इंटरैक्शन (एफएसआई) मॉडल से मूल्यों के साथ की जाती है। संगणना में उपयोग किए जाने वाले एफएसआई मॉडल पंखों के लिए मापा सामग्री गुणों का उपयोग करके गणना किए गए पहले सात eigenmodes पर आधारित हैं। सफल तुलना फिन मॉडल को मान्य करती है और फिन डिजाइन और नियंत्रण के लिए कम्प्यूटेशनल परिणामों का उपयोग करने में आत्मविश्वास प्रदान करती है। इसके अलावा, PLIF परिणाम दर्शाते हैं कि इस विधि का उपयोग भविष्य के अध्ययनों में अन्य संख्यात्मक मॉडल को मान्य करने के लिए किया जा सकता है। इन एफएसआई मॉडल के बारे में अतिरिक्त जानकारी पूर्व कार्य35,36 और कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता विधियों 37,38 के मौलिक ग्रंथों में पाई जा सकती है। भविष्य के अध्ययन भी रोबोट पंख, bioinspired नरम रोबोट, और अन्य अनुप्रयोगों में FSI के बेहतर प्रयोगात्मक अध्ययन के लिए ठोस विरूपण और तरल पदार्थ प्रवाह के एक साथ माप के लिए अनुमति दे सकते हैं। इसके अलावा, क्योंकि पीडीएमएस और अन्य संगत इलास्टोमर्स व्यापक रूप से सेंसर और चिकित्सा उपकरणों सहित विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं, इस तकनीक का उपयोग करके लचीले ठोस पदार्थों में विरूपण की कल्पना करने से इंजीनियरिंग, भौतिकी, जीव विज्ञान और चिकित्सा में शोधकर्ताओं के एक बड़े समुदाय को लाभ हो सकता है।

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Protocol

1. फिन निर्माण

  1. वांछित आकार डिजाइन के आधार पर एक पंख मोल्ड का निर्माण करें।
    1. डिजाइन और फिन आकार (चित्रा 1) के एक कस्टम 3 डी मुद्रित चमक-समाप्त मोल्ड का निर्माण. अनुपूरक कोडिंग फ़ाइलें 1-4 में मोल्ड fabricating के लिए STL फ़ाइलें देखें।
    2. मोल्ड में संरचनात्मक तत्व डालें, जैसे कि 3 डी-मुद्रित कठोर प्लास्टिक अग्रणी-किनारे स्पार। पूरक कोडिंग फ़ाइल 2 में spar की STL फ़ाइल देखें।
  2. वांछित भाग अनुपात में पीडीएमएस ( सामग्री की तालिका देखें) को मिलाएं।
    1. क्रमशः उच्च या निम्न लोचदार मापांक प्राप्त करने के लिए इलाज एजेंट (यानी, 10: 1 या 20: 1) के लिए बेस इलास्टोमर के भाग अनुपात का चयन करें। आधार और hardener की इसी मात्रा का वजन.
      नोट: वर्तमान अध्ययन में 10: 1 और 20: 1 (इलाज एजेंट के लिए इलास्टोमर) दोनों का उपयोग किया गया था।
    2. फ्लोरोसेंट वर्णक को मापें ( सामग्री की तालिका देखें) जैसे कि कुल मिश्रण में रंजकता की वांछित चमक के आधार पर वजन से 0.1% -1% वर्णक होता है। PDMS मिश्रण करने के लिए वर्णक जोड़ें।
    3. एक ग्रहों के केन्द्रापसारक मिक्सर में इलास्टोमर, हार्डनर और वर्णक की मापी गई मात्रा डालें (30 s के लिए 423 x g पर मिश्रण और 30 s के लिए 465 x g पर de-aerating) और तदनुसार मिश्रण करें।
  3. मोल्ड में पंख डाल दिया.
    1. Degas और फिन के लिए मोल्ड में PDMS मिश्रण डालो. 45 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में मोल्ड रखें, और इसे 37 डिग्री सेल्सियस पर रात भर ठीक होने दें।
    2. एक बार इलाज पूरा हो जाने के बाद, मोल्ड से कास्ट फिन को हटा दें (चित्रा 2)।
  4. ASTM मानक39 के बाद तन्यता परीक्षण करें।
    1. चरण 1.3 में प्रत्येक फिन कास्ट के लिए, पहले से वर्णित चरणों 1.1.-1.3 का उपयोग करके टाइप IV आकार के मोल्ड में एक ही PDMS और वर्णक मिश्रण का उपयोग करके एक प्रकार IV नमूना कास्ट करें।
      नोट:: अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल 5 (आकृति 1C में दिखाया गया मोल्ड) में प्रकार IV नमूना कास्ट करने के लिए STL फ़ाइलें देखें, और परीक्षण किए गए प्रकार IV नमूनों के उदाहरणों के लिए चित्र 3 देखें।
    2. तन्यता परीक्षण मशीन में परीक्षण नमूने क्लैंप ( सामग्री की तालिका देखें)। संकीर्ण नमूना अनुभाग की प्रारंभिक लंबाई, चौड़ाई और मोटाई (मिमी) को मापें।
    3. परीक्षण नमूने को 5 मिमी वृद्धि में तनाव के अधीन करें, यह सुनिश्चित करते हुए कि नमूना केवल लोचदार क्षेत्र में फैला हुआ है, न कि अतिरंजित। कुल नमूना विस्थापन 0 मिमी (मूल स्थिति) है जब तक कि 5 मिमी वेतन वृद्धि में तनाव को कम करें। प्रत्येक वेतन वृद्धि पर संकीर्ण अनुभाग की लंबाई (मिमी) और बलों (एन) को रिकॉर्ड करें।
    4. नमूने के लोचदार मापांक की गणना करने के लिए, तनाव-तनाव वक्र को प्लॉट करें और सबसे अच्छा रैखिक फिट और आर2 मान निर्धारित करें।

2. प्रयोगात्मक सेटअप और परीक्षण

  1. PLIF हार्डवेयर माउंट ( सामग्री की तालिका देखें) एक आयताकार कांच के पानी के टैंक (2.41 मीटर x 0.76 मीटर x 0.76 मीटर) के लिए।
    1. माउंट करें और एक स्पंदित लेजर सिस्टम का उपयोग करें ( सामग्री की तालिका देखें) एक प्लानर लाइट शीट उत्पन्न करने के लिए एक निर्दिष्ट आवृत्ति (30 हर्ट्ज) पर अपने मध्य-विमान पर टैंक को प्रतिच्छेदित करता है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।
    2. माउंट और एक लेंस (35 मिमी) और एक longpass प्रतिदीप्ति फिल्टर (560 एनएम) के साथ सुसज्जित एक 4 एमपी चार्ज युग्मित डिवाइस (सीसीडी) कैमरा का उपयोग करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    3. लेजर शीट विमान (चित्रा 5) में रखे गए एक शासक के साथ सीसीडी कैमरे से एक एकल छवि लेकर माइक्रोमीटर-टू-पिक्सेल रूपांतरण को कैलिब्रेट करें। कैमरे पर दो पदों का चयन करें और पिक्सेल को अलग करके माइक्रोमीटर में दूरी को विभाजित करें। सुनिश्चित करें कि यह माइक्रोमीटर-टू-पिक्सेल अनुपात एप्लिकेशन के लिए पर्याप्त छोटा (उप-मिलीमीटर) है।
  2. फिन सॉफ़्टवेयर से ट्रिगर आउटपुट और देरी जनरेटर और संबंधित सॉफ़्टवेयर से संकेतों का उपयोग करके फड़फड़ाने वाले पंख के साथ लेजर दालों और कैमरा छवियों को सिंक्रनाइज़ करें (देखें) सामग्री की तालिका) कैमरा, लेजर सिर, और पंख गति का समन्वय करने के लिए। देखना अनुपूरक चित्र 1 देरी जनरेटर सॉफ़्टवेयर इंटरफ़ेस सेटिंग्स के एक उदाहरण के लिए।
    1. लेजर सिस्टम सेट करें।
      नोट: सुनिश्चित करें कि सभी लेजर सुरक्षा उपाय संस्थागत दिशानिर्देशों के अनुसार हैं।
      1. लेजर सिर ठंडा करने वाले चिलर को चलाने के लिए पावर कुंजी को दाईं ओर घुमाकर लेजर सिस्टम को चालू करें। दोष प्रकाश तब तक झपकी लेता है जब तक कि सिस्टम लेजर को शक्ति देने के लिए तैयार न हो। पावर बटन को न दबाएं जो लेजर को तब तक चालू करता है जब तक कि सभी लेजर मोड सही ढंग से सेट न हों।
      2. ट्रिगर स्रोत EXT LAMP/EXT Q-SW (बाहरी लैंप/बाह्य Q-स्विच) पर सेट करें.
      3. दोनों लेजर सिर के लिए, लेजर ऊर्जा को वांछित स्तर पर सेट करें (यानी, पूर्ण शक्ति का लगभग 60% -80%) और सुनिश्चित करें कि प्रत्येक क्यू-स्विच बटन दबाकर क्यू-स्विच चालू हो जाए।
      4. पावर बटन दबाकर लेजर को चालू करें।
        नोट: के रूप में ट्रिगर स्रोत EXT LAMP / EXT Q-SW करने के लिए सेट है, लेजर सिर आग के लिए तैयार हैं, लेकिन केवल आग के बाद सिस्टम सॉफ्टवेयर से एक बाहरी ट्रिगर प्राप्त करता है।
    2. कैमरा सेट करें।
      1. कैमरे के लिए बिजली केबल में प्लग और कंप्यूटर और सॉफ्टवेयर के लिए उचित कनेक्शन सुनिश्चित करें।
      2. कैमरा सेटिंग्स सॉफ़्टवेयर खोलें और उचित पोर्ट का चयन करें।
        1. ट्रिगर > सेटिंग्स के तहत, सेट करें "में ट्रिगर करें:" बाहरी और "मोड:" करने के लिए फास्ट करने के लिए।
        2. एक्सपोज़र के तहत, "एक्सपोज़र नियंत्रण" को बंद करने के लिए सेट करें।
      3. कैमरा कैप्चर सॉफ़्टवेयर खोलें और उचित कैमरा कार्ड का चयन करें।
        1. ग्रैब सीक्वेंस बटन पर क्लिक करें।
        2. कैप्चर सेटिंग्स बटन पर क्लिक करें, TIFF छवियों का चयन करें, फ्रेम की श्रृंखला का चयन करें ..., और वांछित फ़ाइल पथ, 6 अंकों की संख्या, निरंतर, और स्वीकार करें का चयन करें।
        3. Start Capture पर क्लिक करें।
          नोट:: कैमरा सेटिंग्स एक बाहरी ट्रिगर करने के लिए सेट कर रहे हैं के रूप में, कैमरा छवियों को इकट्ठा करने के लिए तैयार है, लेकिन केवल सिस्टम सॉफ़्टवेयर से एक बाहरी ट्रिगर प्राप्त करने के बाद इन छवियों को कैप्चर करता है।
    3. विलंब जनरेटर सेट करें.
      1. देरी जनरेटर को चालू करें, और बाहरी गेट चैनल को फिन ट्रिगर से कनेक्ट करें, चैनल ए-डी को लेजर से कनेक्ट करें (ए: लेजर हेड 1, बी: लेजर 1, सी: लेजर हेड 2, और डी: लेजर हेड 2 के लिए क्यू-स्विच), और चैनल ई को कैमरे से।
      2. देरी जनरेटर सॉफ़्टवेयर खोलें।
      3. बर्स्ट करने के लिए "पल्स मोड" और 4 एनएस के लिए "सिस्टम रिज़ॉल्यूशन" का चयन करें।
      4. "अवधि (s)" को 0.033333352 पर सेट करें.
      5. "बाहरी ट्रिगर/ गेट मोड" को ट्रिगर करने के लिए सेट करें, "थ्रेशोल्ड (V)" को 0.20 पर, और "ट्रिगर एज" राइजिंग के रूप में।
      6. चैनल > Ch A पर, सक्षम चेकबॉक्स पर क्लिक करें. 0.0000000004 पर "देरी (s)", 0.0050000000 पर "चौड़ाई (s)", 5.00 के लिए "आयाम (V)", "चैनल मोड" को ड्यूटी चक्र के लिए, "प्रतीक्षा गणना" 0, "सिंक स्रोत" T0, "Polarity" सामान्य करने के लिए, "Multiplexer" को A, "ड्यूटी चक्र पर" 1, "ड्यूटी साइकिल बंद" करने के लिए 1, और "गेट मोड" करने के लिए सेट करें।
      7. चैनल > Ch B पर, सक्षम चेकबॉक्स पर क्लिक करें. 0.000138000 पर "देरी (s)", 0.0050000000 पर "चौड़ाई (s)", 5.00 के लिए "आयाम (V)", "चैनल मोड" को ड्यूटी चक्र के लिए, "प्रतीक्षा गणना" को 0, "सिंक स्रोत" Ch A, "Polarity" सामान्य करने के लिए" Polarity, B के लिए "Multiplexer", "ड्यूटी साइकिल पर" 1 करने के लिए, "ड्यूटी साइकिल बंद" करने के लिए 1, और "गेट मोड" करने के लिए सेट करें।
      8. चैनल > Ch C पर, सक्षम चेकबॉक्स पर क्लिक करें. 0.033333304 के लिए "देरी (s)" सेट करें, 0.0050000000 करने के लिए "चौड़ाई (s)", 5.00 करने के लिए "आयाम (V)", "चैनल मोड" ड्यूटी चक्र के लिए, "प्रतीक्षा गणना" 0 करने के लिए, "सिंक स्रोत" Ch A के लिए, "Polarity" सामान्य करने के लिए, "Multiplexer" C करने के लिए, "ड्यूटी चक्र पर" 1 करने के लिए, "ड्यूटी चक्र बंद" करने के लिए 1, और "गेट मोड" करने के लिए"।
      9. चैनल > Ch D पर, सक्षम चेकबॉक्स पर क्लिक करें. 0.000138000 पर "देरी (s)", 0.0050000000 पर "चौड़ाई (s)", 5.00 के लिए "आयाम (V)", "चैनल मोड", "चैनल मोड" को ड्यूटी चक्र के लिए, "प्रतीक्षा गणना" 0, "सिंक स्रोत" Ch C के लिए, "Polarity" सामान्य करने के लिए" सामान्य करने के लिए, "Multiplexer" D के लिए, "ड्यूटी चक्र पर" 1 करने के लिए, "ड्यूटी चक्र बंद" करने के लिए 1, और "गेट मोड" करने के लिए सेट करें।
      10. चैनल > Ch E पर, सक्षम चेकबॉक्स पर क्लिक करें. 0.0000000004 के लिए "देरी (s)" सेट करें, 0.0050000000 करने के लिए "चौड़ाई (s)", 5.00 करने के लिए "आयाम (V)" , सामान्य करने के लिए "चैनल मोड", 0 करने के लिए "प्रतीक्षा गणना", T0 करने के लिए "सिंक स्रोत", सामान्य करने के लिए "Polarity", ई करने के लिए "Multiplexer", और अक्षम करने के लिए "गेट मोड".
  3. फिन को संरेखित करें ताकि लेजर शीट एक चयनित स्पैनवाइज स्थिति में फिन के एक कॉर्डवाइज सेक्शन से गुजरती है और बढ़ते हार्डवेयर के साथ फिन प्लेटफ़ॉर्म को सुरक्षित करती है।
  4. फिन नियंत्रण हार्डवेयर और फिन मोटर्स ( सामग्री की तालिका देखें) के लिए शक्ति कनेक्ट करने के लिए चयनित कीनेमेटिक्स के साथ पंख फड़फड़ाना शुरू करने के लिए, और सभी परिवेश रोशनी बंद कर दें।
  5. प्रेस विलंब जनरेटर सॉफ्टवेयर में चलाएँ सिंक्रनाइज़ प्रयोगों को शुरू करने के लिए और स्ट्रोक चक्र भर में पंख के साथ लेजर शीट के प्रतिच्छेदन की छवियों को प्राप्त करने के लिए। यह 200+ स्ट्रोक चक्रों पर आयोजित किया जाना चाहिए।
  6. देरी जनरेटर सॉफ़्टवेयर में रोकें दबाएँ और बिजली स्रोत से पंख डिस्कनेक्ट करें।
  7. फिन प्लेटफ़ॉर्म को स्थानांतरित करें ताकि लेजर शीट एक नई स्पैनवाइज स्थिति में पार हो जाए और छवियों को फिर से प्राप्त करने के लिए प्रयोग कर सके। चरण 2.3.-2.6 दोहराएँ। वांछित मापों की संख्या के लिए (आठ अलग-अलग स्पैनवाइज स्थिति, जैसा कि चित्र 2 ए में काली डैश्ड लाइनों द्वारा दिखाया गया है)।
  8. अतिरिक्त वांछित फिन झिल्ली (दो पंख कठोरता, PDMS 10: 1 और PDMS 20: 1) के साथ पंख को बदलें और प्रयोगों को दोहराएं।

3. छवि विश्लेषण

  1. चरण 2.4. में आयोजित प्रत्येक प्रयोगात्मक परीक्षण के लिए, उस फ़ाइल का पता लगाएं जहां छवियों को संग्रहीत किया जाता है और स्ट्रोक चक्र के दौरान प्रत्येक फिन स्थिति या चरण के लिए एक सबफ़ोल्डर बनाएं। छवि फ़ाइलों को उनके संगत सबफ़ोल्डर में सॉर्ट करें.
  2. प्रत्येक फिन चरण सबफ़ोल्डर के लिए, पिक्सेल-मान सरणियों (imread.m) के रूप में 200+ छवियों को पढ़ें। सभी छवियों के लिए पिक्सेल-मान सरणियों का योग करें और एक माध्य छवि उत्पन्न करने के लिए छवियों की संख्या से विभाजित करें। छवि को एक नई फ़ाइल (imwrite.m) पर लिखें. स्ट्रोक चक्र (30 पदों) भर में प्रत्येक पंख की स्थिति के लिए इस चरण को दोहराएँ।
  3. प्रत्येक माध्य छवि (imadjust.m) पर एक हिस्टोग्राम वृद्धि करने के लिए पूर्ण उपलब्ध श्रेणी के लिए छवियों की गतिशील तीव्रता सीमा का विस्तार करने के लिए पंख और पृष्ठभूमि के बीच के विपरीत में सुधार करने के लिए प्रदर्शन करें।
  4. तीव्रता थ्रेशोल्ड सेट करें और एक काले और सफेद छवि (imbinarize.m) प्राप्त करने के लिए प्रत्येक छवि binarize। परिणामी सफेद आकार को फिन क्रॉस-सेक्शन के टुकड़ों के अनुरूप होना चाहिए।
  5. बाइनरी छवि (bwareafilt.m) से सभी सफेद वस्तुओं (फिन टुकड़े) निकालें, और छवि (imshow.m) प्रदर्शित करें। पृष्ठभूमि (काले) पिक्सेल (bwboundaries.m) को छूने वाले सभी फिन (सफेद) पिक्सेल का चयन करके 2D आकार प्राप्त करने के लिए प्रत्येक छवि के लिए बाइनरी छवि सीमा का एक ट्रेस बनाएँ।
    नोट:: लगाया गया फिन कीनेमेटिक्स के कारण, कुछ फ़्रेमों में PLIF मापा क्रॉस-सेक्शन का दृश्य पंख के किसी अन्य भाग द्वारा occluded किया जा सकता है। ऐसे मामलों में, या तो छवियों से स्पष्ट कोई सुसंगत पंख आकार नहीं है, या केवल अग्रणी किनारे (एलई) दिखाई देता है (चित्रा 6)।
  6. चरण 3.1.-3.5 निष्पादित करें। प्रत्येक फिन क्रॉस-सेक्शन के लिए।

4. 3 डी विक्षेपण का पुनर्निर्माण

  1. यह मानते हुए कि लचीले मामलों में एलई स्थिति (कम से कम स्ट्रोक अक्ष के करीब) एक ही आकार के कठोर पंख में एलई के समान है, एक ही समय-चरण के लिए अपने एलई के साथ विमान कटौती को लाइन करें, और संबंधित कठोर फिन आकार के परिणामों के साथ तुलना करें।
  2. सभी विमान कटौती के लिए फिन क्रॉस-सेक्शन के परिणामी सेंटरलाइन आकार का अनुमान लगाने के लिए कम से कम वर्ग फिट का उपयोग करें और इन फिट प्रोफाइल से एक सरलीकृत उत्तल-पतवार का उपयोग करके 3 डी फिन आकार का पुनर्निर्माण करें।
  3. 3 डी एफएसआई मॉडल (उनके centerlines से उत्पन्न) के साथ परिणामी फिन आकृतियों की तुलना करें ताकि यह दिखाया जा सके कि इस प्रक्रिया को उच्च-निष्ठा सत्यापन के रूप में कैसे उपयोग किया जा सकता है।
    1. आंशिक रूप से कठोर नायलॉन और आंशिक रूप से लचीला PDMS पंख की एक सतह त्रिकोणीय उत्पन्न करें।
    2. हाइब्रिड सामग्री के eigenmodes प्राप्त करने के लिए एक वाणिज्यिक संरचनात्मक गतिशीलता सॉफ्टवेयर का उपयोग करें (सामग्री की तालिका देखें)।
      1. फिन सतहों पर समान दबाव अंतर का उपयोग करके प्राप्त स्थिर-राज्य विस्थापन से मेल खाने के लिए स्केलिंग अध्ययन करें।
      2. सॉफ़्टवेयर से प्राप्त विस्थापन से मेल खाने के लिए मोड स्केल करें.
    3. उचित पैमाने के कारक के साथ, लचीले पंख पर अस्थिर प्रवाह का अनुकरण करने के लिए युग्मित एफएसआई सॉल्वर में नियोजित पहले कुछ प्रमुख मोड (आमतौर पर 7 या 8) का उपयोग करें।
      1. एक पृष्ठभूमि जाल में एक एम्बेडेड इकाई के रूप में शरीर का इलाज करें।
        नोट: युग्मित सॉल्वर को पीछे35 पर एक लचीला डंक के साथ एक परिपत्र सिलेंडर पर प्रवाह की Turek-Hron समस्या के लिए मान्य किया गया था और फिन सिमुलेशन36 को फड़फड़ाने के लिए विस्तारित किया गया था।
      2. प्रयोगों से पंख गति के कीनेमेटीक्स निर्धारित करें।
      3. बल उत्पादन के समय के इतिहास और फड़फड़ाने वाले चक्र में कई विमान कटौती के साथ पंख के आकार की निगरानी करें, और प्रयोगों के साथ तुलना करें।

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Representative Results

एक ट्रेपोज़ॉइडल मछली से प्रेरित कृत्रिम पेक्टोरल फिन को दो अलग-अलग सामग्रियों (पीडीएमएस 10: 1 और 20: 1, दोनों फ्लोरोसेंट डाई के साथ मिश्रित) में एक मोल्ड से बाहर निकाला गया था, प्रत्येक में एक कठोर अग्रणी-किनारे स्पार के साथ अग्रणी तिमाही जीवा (चित्रा 2 और चित्रा 3) में डाला गया था। दो फिन सामग्री (चित्रा 3) के तन्यता परीक्षण ने पीडीएमएस 20: 1 और पीडीएमएस 10: 1 पंखों के लिए क्रमशः 0.38 एमपीए और 0.82 एमपीए के लोचदार मोडुली को प्राप्त किया, दोनों मापों के लिए 0.99 के आर2 के साथ (संबंधित तनाव-तनाव घटता के लिए पूरक चित्रा 2 देखें)।

फिन की गति को कैप्चर करने के लिए, कैमरे को इस तरह से रखा गया था कि दृश्य के केंद्रित क्षेत्र में माइक्रोमीटर-टू-पिक्सेल अनुपात 125 μm / पिक्सेल था। एक देरी जनरेटर वायर्ड किया गया था और प्रत्येक फिन स्ट्रोक के मध्य बिंदु पर एक एकल ट्रिगर सिग्नल के आधार पर प्रति फिन स्ट्रोक प्रति 30 समान रूप से अंतराल वाले समय अंतराल पर लेजर और कैमरे को ट्रिगर करने के लिए प्रोग्राम किया गया था। पंख को इस तरह से तैनात किया गया था कि लेजर शीट पंख के एक कॉर्डवाइज अनुभाग से गुजरती है। यह फिन ज्यामिति (चित्रा 2) की जड़ से 1.876 सेमी से 13.132 सेमी तक आठ स्पैनवाइज पदों के लिए किया गया था।

प्रत्येक क्रॉस-सेक्शन के लिए, 30 स्ट्रोक पदों (चरणों) में से प्रत्येक के लिए 200+ छवियां प्राप्त की गई थीं। क्रमादेशित कीनेमेटिक्स ने ±43° का एक स्ट्रोक आयाम और ±17° (चित्रा 7A, B) का एक पिच आयाम प्राप्त किया। अपारदर्शी कठोर स्पार के कारण, फिन क्रॉस-सेक्शन हर समय चरण (चित्रा 6) पर दिखाई नहीं दे रहा था, लेकिन ये रोड़ा विरल थे और समग्र 3 डी पुनर्निर्माण को प्रभावित नहीं करते थे। छवि सॉर्टिंग, औसत, थ्रेशोल्डिंग, binarization, और ट्रेसिंग के बाद, एक 3 डी प्रतिनिधित्व का निर्माण किया गया था। इस 3 डी पुनर्निर्माण की तुलना एफएसआई मॉडल के परिणामों और एक कठोर फिन मॉडल की संरचना के साथ की गई थी। लचीले मामलों में एलई स्थिति को एक ही आकार के लिए कठोर पंख में एलई के समान माना जाता था। हालांकि, कठोर से नरम पंख तक जाने वाली समग्र कठोरता में पर्याप्त कमी के परिणामस्वरूप स्पैनवाइज लोडिंग हुई, जो वर्तमान डिजाइन के लिए एलई के साथ एक गैर-नगण्य विक्षेपण जोड़रही थी।

चित्रा 7C, D स्ट्रोक में दो पदों पर इन तुलनाओं को दर्शाता है, एक अपस्ट्रोक (t = 0 s) के बीच में और एक डाउनस्ट्रोक (t = 0.567 s) के बीच में। यह आंकड़ा पीडीएमएस 10: 1 फिन पर द्रव दबाव से प्रेरित कॉर्डवाइज वक्रता को दर्शाता है, जिससे विस्थापन / जीवा (डी / सी) के सबसे लंबे जीवा अनुभाग पर अनुगामी किनारे का एक औसत सामान्यीकृत जीवा विस्थापन होता है = 0.36 मध्य अपस्ट्रोक में और डी / सी = 0.33 मध्य डाउनस्ट्रोक में, जैसा कि प्रयोगों में मापा गया है। यह डी / सी = 0.44 के साथ तुलना करता है मिड अपस्ट्रोक में और डी / सी = 0.39 एफएसआई मॉडल के साथ सीएफडी सिमुलेशन से मिड डाउनस्ट्रोक में। परिणाम भी प्रयोगों में अग्रणी किनारे के साथ कुछ spanwise विक्षेपण प्रदर्शित करते हैं, जो सिमुलेशन के लिए मॉडलिंग नहीं किया गया था।

पीडीएमएस 10: 1 और पीडीएमएस 20: 1 पंखों (चित्रा 8 ए) के आकार विरूपण के बीच आगे की तुलना की गई थी। अपस्ट्रोक (t = 0 s,) के मध्य में सबसे लंबे जीवा अनुभाग पर अनुगामी किनारे विस्थापन को PDMS 10: 1 फिन के लिए d/ c = 0.36 के रूप में मापा गया था और PDMS 20: 1 के लिए d / c = 0.51। अंत में, चित्रा 8B PLIF, FSI, और मध्य-अपस्ट्रोक (t = 0.567s) में कठोर मामलों से पुनर्निर्मित 3D फिन आकृतियों को दर्शाता है। यह एफएसआई सिमुलेशन के लिए उच्च-निष्ठा सत्यापन प्रदान करने के लिए वर्तमान तकनीक की क्षमता को दर्शाता है।

विरूपण समय-इतिहास के माप के अलावा, जैसा कि पहले विस्तृत किया गया था, जोर और यांत्रिक शक्ति के प्रत्यक्ष माप फिन प्रोपल्सिव प्रदर्शन का विश्लेषण करने के लिए मूल्यवान डेटा प्रदान करते हैं। प्रस्तुत कीनेमेटिक्स के लिए, PDMS 10: 1 फिन ने Fx = 0.51 N के एक स्ट्रोक औसत जोर का उत्पादन किया, जिसे एक स्ट्रेन गेज लोड सेल के साथ मापा गया, और पीएम = 2.38 डब्ल्यू की औसत कुल शक्ति, वर्तमान और वोल्टेज सेंसर के साथ मापा गया। PDMS 10: 1 क्षेत्र के लिए CFD सिमुलेशन से परिकलित थ्रस्ट और हाइड्रोडायनामिक पावर ने Fx = 0.50 N और Ph = 0.49 W प्राप्त किया। PDMS 20: 1 पंख ने एक प्रयोगात्मक रूप से मापा स्ट्रोक का उत्पादन किया, जो Fx = 0.48 N का औसत जोर था और Pm = 2.30 W की औसत शक्ति थी। हाइड्रोडायनामिक पावर में कुल शक्ति का लगभग 20% शामिल था, जबकि मोटर में यांत्रिक नुकसान बिजली की खपत में एक बड़ा योगदानकर्ता था। इस प्रकार, हाइड्रोडायनामिक शक्ति और दक्षता में अंतर विभिन्न भौतिक गुणों के पंखों के बीच काफी भिन्न हो सकता था, लेकिन कुल शक्ति अपेक्षाकृत सुसंगत बनी रही।

Figure 1
चित्रा 1: कस्टम प्लास्टिक molds पंख (ए और बी) और तन्यता परीक्षण नमूनों (सी) डाली करने के लिए। पंखों के लिए मोल्ड्स और कठोर स्पार्स को कठोर प्लास्टिक (काले और भूरे रंग) में 3 डी मुद्रित किया गया था, और पंख और तन्यता परीक्षण नमूनों को एक फ्लोरोसेंट डाई (गुलाबी) के साथ मिश्रित पीडीएमएस से डाला गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली बायोइंस्पिर्ड फिन प्लानफॉर्म ज्यामिति। (ए) सीएडी मॉडल कठोर स्पार (ग्रे) और पीडीएमएस फिन (नीले रंग) को दर्शाता है, जिसमें डैश्ड काली रेखाएं प्लैनर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति (पीएलआईएफ) प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कॉर्डवाइज क्रॉस-सेक्शन को दर्शाती हैं। (बी) फ्लोरोसेंट पीडीएमएस फिन (गुलाबी) एक कठोर प्लास्टिक स्पार (सफेद) के साथ। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एक समाप्त पंख और तन्यता परीक्षण नमूनों का उदाहरण। फ्लोरोसेंट पीडीएमएस के प्रत्येक बैच के भौतिक गुणों को प्राप्त करने के लिए तन्यता परीक्षण के लिए एक काले कठोर स्पार (बाएं) और टाइप IV नमूनों (दाएं) के तीन उदाहरणों के साथ मोल्ड-कास्टेड पीडीएमएस फिन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: प्रयोगात्मक सेटअप( ए) लेजर और ऑप्टिक्स, हरे लेजर शीट, टैंक, एक मंच पर घुड़सवार पंख, और कैमरे के साथ प्रयोगात्मक सेटअप का 3 डी सीएडी दृश्य। (बी) एक उदाहरण छवि टैंक में घुड़सवार पंखों को दिखाती है, जिसमें लेजर चालू हो जाता है और एक कैमरा दूर दाईं ओर दिखाई देता है। हालांकि इस अग्रानुक्रम फिन सेटअप में दो पंख दिखाए गए हैं, जो फिन-फिन इंटरैक्शन के भविष्य के अध्ययन के लिए कीनेमेटिक्स प्राप्त कर सकते हैं, इस अध्ययन में केवल सामने के पंख के लिए पीएलआईएफ माप दर्ज किए गए थे। इसके अलावा, छवि में सेटअप की कल्पना करने के लिए परिवेश प्रकाश होता है, लेकिन सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करने के लिए सभी प्रयोगों के दौरान परिवेश रोशनी बंद कर दी गई थी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: अंशांकन छवि. प्रयोगों को चलाने से पहले, माइक्रोमीटर-टू-पिक्सेल अनुपात को मापने के लिए एक मानक शासक का उपयोग करके अंशांकन छवियों को प्राप्त किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: एक समय चरण में फिन रोड़ा के एक प्रतिनिधि उदाहरण के साथ, तीन समय चरणों की फिन छवियों को ओवरलेड किया गया। फिन क्रॉस-सेक्शन चरण 1 और 3 में दिखाई देता है, जबकि अपारदर्शी कठोर स्पार चरण 2 पर पंख को रोकता है, जहां पंख की स्थिति का अनुमान पीले रंग में खींचा जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: फिन कीनेमेटीक्स(A) समय के साथ फिन कीनेमेटीक्स के स्ट्रोक आयाम (±43°) और (B) पिच आयाम (±17°) PDMS 10: 1 फिन (हल्का नीला), PDMS 10: 1 फिन (लाल) के FSI डेटा की तुलना, और कठोर फिन (काला) (सी) अपस्ट्रोक और (डी) डाउनस्ट्रोक में दो समय-चरणों में फिन पदों में अंतर को स्पष्ट करने के लिए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र8: फिन विरूपण की तुलना। (A) फिन विरूपण पर कठोरता के प्रभावों को प्रदर्शित करने के लिए एक उदाहरण समय-चरण पर फिन कीनेमेटीक्स प्राप्त करने की PLIF विधि की तुलना। अधिक अनुपालन 20: 1 PDMS फिन (गहरे नीले) के लिए PLIF माप अधिक कठोर 10: 1 PDMS फिन (हल्के नीले) की तुलना में अधिक विरूपण दिखाता है, और दोनों एक कठोर पंख (काले) से पर्याप्त अंतर दिखाते हैं। (बी) 10: 1 पीडीएमएस के लिए पीएलआईएफ से 3 डी पुनर्निर्मित पंख आकार, 10: 1 पीडीएमएस के लिए एफएसआई, और सतह फिट की तुलना करने के लिए एक उदाहरण समय-चरण पर कठोर मामले। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 1: देरी जनरेटर के लिए सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस. देरी जनरेटर को नियंत्रित करने के लिए सॉफ़्टवेयर के लिए उपयोगकर्ता इंटरफेस, सेटिंग्स के साथ फिन ट्रिगर के साथ दो लेजर सिर और कैमरे के समय का समन्वय करके 30 हर्ट्ज पर PLIF छवियों का उत्पादन करने के लिए। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक चित्रा 2: PDMS के लिए तन्यता परीक्षण परिणाम। पीडीएमएस के दो मिश्रणों के लिए तनाव-तनाव घटता है (20: 1, 0.38 एमपीए के लोचदार मापांक के साथ एक अधिक लचीला मिश्रण, और 10: 1, 0.82 एमपीए के लोचदार मापांक के साथ एक अधिक कठोर मिश्रण)। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल 1: "Assembly2.stl" 3 डी कस्टम फिन molds मुद्रित करने के लिए फ़ाइलों की एक विधानसभा है. कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

पूरक कोडिंग फ़ाइल 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" फिन डालने, फिन का एक कठोर हिस्सा है कि सर्वो के लिए अनुलग्नक के रूप में कार्य करता है मुद्रित करने के लिए STL फ़ाइल है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" लचीले पंख के लिए 3D प्रिंट मोल्ड का बायां आधा भाग है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक कोडिंग फ़ाइल 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" लचीला पंख के लिए 3D प्रिंट मोल्ड का दायाँ आधा भाग है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

अनुपूरक कोडिंग फ़ाइल 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" तन्यता परीक्षण के लिए प्रकार IV नमूने बनाने के लिए 3 डी प्रिंट मोल्ड है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

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Discussion

प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति का उपयोग आमतौर पर डाई के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करके जलीय प्रवाह की कल्पना करने के लिए किया जाता है, जो लेजर शीट25,26 के संपर्क में आने पर फ्लोरेसेस करता है। हालांकि, अनुपालन सामग्री में विरूपण की कल्पना करने के लिए PLIF का उपयोग करना पहले रिपोर्ट नहीं किया गया है, और यह अध्ययन PLIF का उपयोग करके लचीले ठोस पंखों में उच्च-रिज़ॉल्यूशन आकार विरूपण के समय इतिहास माप प्राप्त करने के लिए एक दृष्टिकोण का वर्णन करता है। एफएसआई सिमुलेशन के साथ इन फिन मापों की तुलना संख्यात्मक मॉडल को मान्य करती है और फिन डिजाइन और नियंत्रण के लिए कम्प्यूटेशनल परिणामों का उपयोग करने में और अधिक आत्मविश्वास प्रदान करती है।

अनुपालन सामग्री के लिए पीएलआईएफ की सीमाओं में, विरूपण लक्षण वर्णन में संरचना में अपारदर्शी तत्वों के कारण रोड़ा शामिल है (इस अध्ययन में अग्रणी-किनारे कठोर स्पार)। इसके अतिरिक्त, PLIF तकनीक कुल आंतरिक प्रतिबिंब (TIR) से प्रभावित होती है, जो तब होती है जब PDMS-पानी इंटरफ़ेस पर प्रकाश का स्थानीय घटना कोण संबंधित महत्वपूर्ण मान से अधिक हो जाता है। यद्यपि कास्ट पीडीएमएस पंख ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी होते हैं, लेकिन उनके पास पानी (1.33) की तुलना में बहुत अधिक अपवर्तक सूचकांक (1.49) होता है, जिससे 63.5 डिग्री के महत्वपूर्ण कोण के साथ ऑप्टिकल विरूपण और रोड़ा होता है। इसलिए, जब एक बड़ा विरूपण होता है (उदाहरण के लिए, वर्तमान अध्ययन में पंखों के सिरों के पास), स्थानीय घटना कोण 63.5 डिग्री से अधिक हो सकता है। नतीजतन, घटना लेजर बीम को पंख में वापस परिलक्षित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप कैप्चर की गई छवि पर एक बहुत बड़ा "फ्लोरोसेंट क्षेत्र" होता है, जो इस तकनीक से पता लगाए गए छवि की गुणवत्ता और आकृतियों को प्रभावित करता है। भविष्य के अध्ययनों के लिए इस समस्या को हल करने के लिए एक विधि एक ऑप्टिकल इंडेक्स-मिलान वाले काम करने वाले तरल पदार्थ का उपयोग करना है, जैसे कि सोडियम आयोडाइड (एनएआई) समाधान40। हालांकि, इसे वर्तमान अध्ययन के लिए गुंजाइश से बाहर माना जाता है क्योंकि यह मुद्दा अधिकांश फिन क्रॉस-सेक्शन को प्रभावित नहीं करता है।

जब ऑप्टिकल इंडेक्स मिलान संभव नहीं होता है, तो कास्टिंग के दौरान फ्लोरोसेंट वर्णक की एकाग्रता को इस प्रभाव को कम करने के लिए समायोजित किया जा सकता है। फ्लोरोसेंट डाई की उच्च सांद्रता एसएनआर में सुधार कर सकती है, लेकिन यदि बहुत अधिक वर्णक है और पंख की वक्रता (विक्षेपण) अधिक है, तो आंतरिक प्रतिबिंब का प्रभाव बहुत मजबूत हो सकता है। यह उन प्रोफाइल के लिए छवि फैलाव का कारण बन सकता है। इसके अलावा, आंतरिक प्रतिबिंबों के प्रभाव को कम करने के लिए अपेक्षित प्रमुख विक्षेपण (यदि कोई हो) के संबंध में इष्टतम लेजर घटना कोण निर्धारित करने के लिए मजबूत विचार किए जाने चाहिए। उदाहरण के लिए, क्रॉस-अनुभागीय प्रोफाइल ऊपर और नीचे स्ट्रोक के लिए भिन्न होते हैं। उत्तरार्द्ध में, जैसा कि प्रकाश पंख के एलई-साइड के माध्यम से अपवर्तित होता है, यह बाद के कॉर्डवाइज स्थानों पर कई आंतरिक प्रतिबिंबों से गुजरता है, जिससे प्रोफ़ाइल आकार काफी फैल जाता है। अपस्ट्रोक के लिए, घटना प्रकाश ने एक से अधिक बार पंखों के कठोर या लचीले हिस्सों के साथ बातचीत नहीं की, जिसके परिणामस्वरूप एक कुरकुरा प्रोफ़ाइल हुई। यह भिन्नता एक सामान्य प्रोफ़ाइल मास्क को एल्गोरिदमिक रूप से उत्पन्न होने से रोकती है, क्योंकि संचरण और प्रतिबिंब की सीमा स्ट्रोक चक्र के दौरान भी भिन्न होती है। यद्यपि छवि विश्लेषण इसे संबोधित करने के लिए एक गतिशील सीमा पर विचार करता है, फिर भी स्वचालित रूप से क्रॉस-अनुभागीय लिफाफा उत्पन्न करना चुनौतीपूर्ण है।

अवतल सतह उत्तल पक्ष की तुलना में आंतरिक प्रतिबिंबों के लिए अधिक प्रवण है। इसलिए, एक अधिक सटीक सेंटरलाइन प्रोफ़ाइल प्राप्त करने के लिए एक वैकल्पिक दृष्टिकोण का पता लगाया गया था, जो आधे-माध्य पंख मोटाई द्वारा उत्तल सतह को ऑफसेट करके खोजा गया था। हालांकि, परिणामी प्रोफ़ाइल कम से कम वर्ग फिट द्वारा प्राप्त की तुलना में काफी भिन्न नहीं थी।

इसके अलावा, तन्यता परीक्षण और बाद में वक्र फिटिंग छोटे उपभेदों39 के लिए एक रैखिक तनाव-तनाव संबंध मानते हैं। हालांकि, यह धारणा बड़े विरूपणों के लिए मान्य नहीं है, जो FSI मॉडल के इनपुट के रूप में उपयोग की जाने वाली परिकलित eigenfrequency को प्रभावित करती है। इस तरह के nonlinear प्रभावों के लिए लेखांकन द्वारा एक अधिक सटीक FSI भविष्यवाणी प्राप्त करने के प्रयासों को वर्तमान दायरे से बाहर माना जाता है लेकिन भविष्य के अध्ययनों के लिए प्रासंगिक है।

इस प्रकार, इस अध्ययन ने बायोइंस्पिरेड रोबोटिक पंखों पर फिन कठोरता के प्रभाव का प्रदर्शन किया है और कम्प्यूटेशनल मॉडल को मान्य किया है। अन्य PLIF अध्ययनों25 में वर्णित द्रव प्रवाह के एक साथ माप के साथ ठोस विरूपण के इन मापों को जोड़ते हुए, भविष्य के अध्ययन रोबोट पंखों, बायोइंस्पिर्ड सॉफ्ट रोबोट, और अन्य अनुप्रयोगों में एफएसआई के प्रयोगात्मक विश्लेषण में सुधार करेंगे, जो विभिन्न तरंग दैर्ध्य और कई कैमरों में फ्लोरेसी को एकीकृत करके रंजक को एकीकृत करते हैं। अन्य अनुसंधान क्षेत्रों24 में पीडीएमएस के व्यापक उपयोग के कारण, लचीले ठोस पदार्थों में विरूपण की कल्पना करने की इस पीएलआईएफ तकनीक में इंजीनियरिंग, भौतिकी, जीव विज्ञान और चिकित्सा में शोधकर्ताओं के समुदायों को लाभ पहुंचाने की क्षमता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस शोध को अमेरिकी नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला (एनआरएल) 6.2 बेस प्रोग्राम के माध्यम से नौसेना अनुसंधान कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया था और प्रदर्शन किया गया था, जबकि कौशिक संपत एनआरएल में ध्वनिकी प्रभाग के एक कर्मचारी थे और निकोल जू ने एनआरएल में कम्प्यूटेशनल भौतिकी और द्रव गतिशीलता के लिए प्रयोगशालाओं में एक एनआरसी रिसर्च एसोसिएटशिप पुरस्कार आयोजित किया था। लेखक तकनीकी सहायता और मार्गदर्शन के लिए डॉ रूबेन होर्टेंसियस (टीएसआई इंक) को स्वीकार करना चाहते हैं।

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

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References

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Bioengineering अंक 182
प्लैनर लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति इमेजिंग का उपयोग कर नरम फिन विरूपण मॉडलिंग फड़फड़ाना
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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).

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