Summary
現在のプロトコルは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)材料で構築された水中フラッピングフィンにおける3D形状変形の測定および特性評価を含む。これらの変形を正確に再構成することは、準拠した羽ばたきフィンの推進性能を理解するために不可欠です。
Abstract
さまざまな魚種のひれに触発された推進機構は、無人車両システムにおける操縦能力とステルス能力の向上の可能性を考慮して、ますます研究されています。これらのフィン機構の膜に使用される軟質材料は、より剛性の高い構造と比較して推力と効率を高めるのに有効であることが証明されていますが、これらの軟質膜の変形を正確に測定およびモデル化することが不可欠です。この研究は、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)を使用して、柔軟な水中羽ばたきフィンの時間依存的な形状変形を特徴付けるためのワークフローを提示する。さまざまな剛性(0.38MPaおよび0.82MPa)を有する顔料化ポリジメチルシロキサンフィン膜が製造され、ピッチおよびロールの2つの自由度で作動するためにアセンブリに取り付けられる。PLIF画像は、スパンワイズ平面の範囲にわたって取得され、フィン変形プロファイルを取得するために処理され、時間的に変化する3D変形フィン形状を再構成するために結合される。このデータは、流体-構造相互作用シミュレーションの忠実度の高い検証を提供し、これらの複雑な推進システムの性能の理解を深めるために使用されます。
Introduction
自然界では、多くの魚種が移動を達成するために様々な体とひれの動きを使うように進化してきました。魚の移動の原理を特定する研究は、生物学者とエンジニアが協力して水中車両用の有能な次世代推進および制御メカニズムを開発するため、バイオインスパイアされた推進システムの設計を推進するのに役立ちました。様々な研究グループがフィンの構成、形状、材料、ストロークパラメータ、および表面曲率制御技術1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12を研究している.シングルフィンおよびマルチフィンシステムにおける推力発生を理解するために、先端渦発生およびウェイク傾向を特徴付けることの重要性は、計算的および実験的13,14,15,16,17,18の両方の多数の研究で文書化されている。ウェイク傾斜を低減し、推力17を増加させるために様々な研究で示されている準拠材料で作られたフィン機構の場合、流動構造解析と組み合わせるためにそれらの変形時間履歴を捕捉し、正確にモデル化することも不可欠である。これらの結果は、計算モデルの検証、フィンの設計と制御の情報提供、検証が必要なフレキシブル材料の非定常流体力学的荷重におけるアクティブな研究分野の促進に使用できます19。研究では、フカヒレやその他の複雑な物体20,21,22で直接高速画像ベースの形状追跡が使用されていますが、複雑な3Dフィン形状はしばしば光学アクセスをブロックし、測定を困難にしています。したがって、柔軟なフィン運動を視覚化するための簡単で効果的な方法が切迫している。
準拠フィン機構で広く使用されている材料は、その低コスト、使いやすさ、剛性を変化させる能力、および水中用途23との適合性のためにポリジメチルシロキサン(PDMS)である。これらの利点に加えて、PDMSは光学的にも透明であり、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)などの光学診断技術を用いた測定に役立ちます。伝統的に、実験流体力学25内で、PLIFは、流体に色素または懸濁粒子を播種することによって、またはレーザーシート26、27、28、29に曝されたときに蛍光を発する流れに既に存在する種からの量子遷移を利用することによって、流体の流れを視覚化するために使用されてきた。この確立された技術は、基本的な流体力学、燃焼、海洋力学26、30、31、32、33を研究するために使用されてきました。
本研究では、PLIFを用いて、柔軟な魚に触発されたロボットフィンの形状変形の時空間的に分解された測定値を得る。流体に染料を播種する代わりに、PDMSフィンの水中運動学を様々な弦方向断面で視覚化する。平面レーザーイメージングは、蛍光を追加せずに通常のキャストPDMS上で実行できますが、PDMSを変更して蛍光を強化することで、フィン取り付けハードウェアなどの背景要素の影響を低減することで、画像の信号対雑音比(SNR)を向上させることができます。PDMSは、蛍光粒子播種または色素沈着のいずれかの2つの方法を採用することによって蛍光化することができる。所定の部品比に対して、前者が結果として得られる鋳造PDMS34の剛性を変化させることが報告されている。したがって、無毒の市販の顔料を透明なPDMSと混合して、PLIF実験用の蛍光フィンを鋳造した。
計算モデル検証のためにこれらのフィン運動学測定値を使用する例を提供するために、実験運動学は、次いで、フィンの結合流体−構造相互作用(FSI)モデルからの値と比較される。計算に使用されるFSIモデルは、フィンの測定された材料特性を使用して計算された最初の7つの固有モードに基づいています。比較が成功すると、フィンモデルが検証され、フィンの設計と制御に計算結果を使用する際の信頼性が得られます。さらに、PLIFの結果は、この方法が将来の研究で他の数値モデルを検証するために使用できることを示しています。これらのFSIモデルに関する追加情報は、先行研究35,36および計算流体力学法37,38の基本テキストに見出すことができる。将来の研究では、固体変形と流体流の同時測定を可能にし、ロボットフィン、バイオインスパイアソフトロボット、およびその他のアプリケーションにおけるFSIの実験的研究を改善することもできます。さらに、PDMSやその他の相溶性エラストマーは、センサーや医療機器など、さまざまな分野で広く使用されているため、この技術を使用して柔軟な固体の変形を視覚化することは、工学、物理学、生物学、医学の研究者のより大きなコミュニティに利益をもたらすことができます。
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Protocol
1. フィン製作
- 希望の形状設計に基づいてフィンモールドを構築します。
- フィン形状のカスタム3Dプリントされた光沢仕上げ金型を設計して構築します(図1)。金型の製作については、 補足コーディング・ファイル 1 から 4 の STL ファイルを参照してください。
- 3D プリントされた硬質プラスチックの最先端スパーなどの構造要素を金型に挿入します。 補足コーディング・ファイル 2 の spar の STL ファイルを参照してください。
- PDMS( 材料表を参照)を所望の部品比で混合する。
- ベースエラストマーと硬化剤の部品比(すなわち、10:1または20:1)を選択して、それぞれより高いまたはより低い弾性率を達成する。対応する量のベースと硬化剤を秤量する。
注:本研究では、10:1および20:1(エラストマー対硬化剤)の両方を使用した。 - 顔料化の所望の明度に応じて、混合物全体が重量で0.1%〜1%の顔料を含むように蛍光顔料( 材料表を参照)を測定する。PDMSブレンドに顔料を追加します。
- 測定された量のエラストマー、硬化剤、および顔料を遊星遠心ミキサーに注ぎ(423 x gで30秒間混合し、30秒間465 x gで脱気する)、それに応じて混合する。
- ベースエラストマーと硬化剤の部品比(すなわち、10:1または20:1)を選択して、それぞれより高いまたはより低い弾性率を達成する。対応する量のベースと硬化剤を秤量する。
- 金型にフィンを鋳造します。
- PDMS混合物を脱気し、フィンの金型に注ぎます。金型を70°Cのオーブンに45分間入れ、37°Cで一晩硬化させた。
- 硬化が完了したら、鋳造フィンを金型から取り外します(図2)。
- ASTM規格39に従って引張試験を実施します。
- ステップ1.3で鋳造された各フィンについて、前述のステップ1.1.-1.3を使用して、同じPDMSおよび顔料ブレンドを使用して1つのタイプIV試料をタイプIV形状の金型に鋳造する。
メモ: 補足コーディングファイル 5 (図 1C に示す金型) のタイプ IV サンプルを鋳造する STL ファイルを参照し、テストしたタイプ IV サンプルの例については 図 3 を参照してください。 - 試験片を引張試験機にクランプします( 材料表を参照)。狭いサンプルセクションの初期の長さ、幅、および厚さ(mm)を測定します。
- 試験片を5mm刻みで張力にかけ、試料が過延伸ではなく弾性領域のみに引き伸ばされたままであることを確認する。サンプル全体の変位が 0 mm (元の位置) になるまで、張力を 5 mm 単位で下げます。各増分で狭い断面の長さ(mm)と力(N)を記録します。
- サンプルの弾性率を計算するには、応力-ひずみ曲線をプロットし、最適な線形適合値とR2 値を決定します。
- ステップ1.3で鋳造された各フィンについて、前述のステップ1.1.-1.3を使用して、同じPDMSおよび顔料ブレンドを使用して1つのタイプIV試料をタイプIV形状の金型に鋳造する。
2. 実験のセットアップと試験
- PLIF ハードウェア ( 材料表を参照) を長方形のガラス製水槽 (2.41 m x 0.76 m x 0.76 m) に取り付けます。
- パルスレーザーシステム( 材料表を参照)をマウントして使用し、 図4に示すように、指定された周波数(30Hz)でタンクの中間面で交差する平面光シートを生成します。
- レンズ(35 mm)とロングパス蛍光フィルター(560 nm)を搭載した4 MP電荷結合素子(CCD)カメラを取り付けて使用します( 材料表を参照)。
- レーザーシート面に配置された定規を使用してCCDカメラから単一の画像を撮影して、マイクロメートルからピクセルへの変換を校正します(図5)。カメラ上の 2 つの位置を選択し、ピクセルを区切って距離をマイクロメートル単位で除算します。このマイクロメートル対ピクセルの比率が、アプリケーションに対して十分に小さい (サブミリメートル) ことを確認します。
- フィンソフトウェアからのトリガ出力と遅延発生器および関連ソフトウェアからの信号を使用して、レーザーパルスとカメラ画像をフラッピングフィンと同期させます( 材料表)を使用して、カメラ、レーザーヘッド、フィンモーションを調整します。見る 補足図1 遅延発生器ソフトウェアのインタフェース設定の例を示します。
- レーザーシステムを設定します。
メモ:すべてのレーザー安全対策が機関のガイドラインに従っていることを確認してください。- 電源キーを右に回転させてレーザーシステムの電源を入れ、レーザーヘッドを冷却するチラーを動かします。システムがレーザーに電力を供給する準備ができるまで、障害ライトが点滅します。すべてのレーザーモードが正しく設定されるまで、レーザーをオンにする電源ボタンを押さないでください。
- トリガソースを EXT LAMP/EXT Q-SW (外部ランプ/外部 Q-スイッチ) に設定します。
- 両方のレーザーヘッドについて、レーザーエネルギーを所望のレベル(すなわち、フルパワーの約60%〜80%)に設定し、各Qスイッチボタンを押して Qスイッチ がオンになっていることを確認します。
- 電源ボタンを押してレーザーをオンにします。
メモ: トリガソース がEXT LAMP/EXT Q-SWに設定されているため、レーザーヘッドは発射する準備ができていますが、システムがソフトウェアから外部トリガを受け取った後にのみ発射されます。
- カメラを設定します。
- カメラに電源ケーブルを差し込み、コンピュータとソフトウェアが正しく接続されていることを確認します。
- カメラ設定ソフトウェアを開き、適切なポートを選択します。
- 「トリガー>設定」で、「トリガー入力:」を「外部」に、「モード:」を「高速」に設定します。
- 露出 の下で、「露出制御」を オフに設定します。
- カメラキャプチャソフトウェアを開き、適切なカメラカードを選択します。
- 「 シーケンスをつかむ」 ボタンをクリックします。
- [キャプチャ設定]ボタンをクリックし、[TIFF画像]を選択し、[一連のフレーム...]を選択して、目的のファイルパス、6桁の番号、連続、および[承諾]を選択します。
- [ キャプチャの開始]をクリックします。
メモ:カメラ設定が外部トリガに設定されているため、カメラは画像を収集する準備ができていますが、システムがソフトウェアから外部トリガを受け取った後にのみこれらの画像をキャプチャします。
- 遅延発生器を設定します。
- 遅延発生器の電源を入れ、外部ゲートチャンネルをフィントリガーに、チャンネルA~Dをレーザー(A:レーザーヘッド1、B:レーザー1にQスイッチ、C:レーザーヘッド2、D:レーザー2にQスイッチ)、チャンネルEをカメラに接続します。
- 遅延ジェネレータソフトウェアを開きます。
- バーストする「パルスモード」と4nsの「システム分解能」を選択します。
- "期間" を 0.0333333352 に設定します。
- 「外部トリガ/ゲートモード」をトリガ、「スレッショルド(V)」を0.20、「トリガエッジ」を上昇に設定します。
- チャンネル> Ch A で、「使用可能」チェックボックスをクリックします。「遅延」を0.0000000004、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機数」を0、「同期ソース」をT0、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をA、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
- チャンネル> Ch B で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.000138000、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機カウント」を0、「同期ソース」をCh A、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をB、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
- チャンネル> Ch C で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.033333304、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機回数」を0、「同期ソース」をCh A、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をC、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
- チャンネル> Ch D で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.000138000、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機回数」を0、「同期ソース」をCh C、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をD、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
- チャンネル> Ch Eで、有効チェックボックスをクリックします。「遅延」を0.000000004、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャンネルモード」をノーマル、「待機カウント」を0、「同期ソース」をT0、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をE、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
- レーザーシステムを設定します。
- レーザーシートがフィンの弦方向の1つのセクションを選択したスパンワイズの位置で通過するようにフィンを合わせ、フィンプラットフォームを取り付け金具で固定します。
- 電源をフィン制御ハードウェアとフィンモーター( 材料表を参照)に接続して、選択したキネマティクスでフィンの羽ばたきを開始し、すべてのアンビエントライトをオフにします。
- 遅延発生器ソフトウェアで Run を押して同期実験を開始し、ストロークサイクル全体を通じてレーザーシートとフィンの交点の画像を取得します。これは200以上のストロークサイクルにわたって実施する必要があります。
- 遅延発生器ソフトウェアの 停止 を押し、フィンを電源から外します。
- レーザーシートが新しいスパンワイズ位置で交差するようにフィンプラットフォームを動かし、実験を実行して画像を再度取得します。手順 2.3.-2.6 を繰り返します。所望の測定値の数( 図2Aの黒い破線で示すように、8つの異なるスパン方向の位置)について。
- フィンを追加のフィン膜(2つのフィン剛性、PDMS 10:1とPDMS 20:1)に置き換え、実験を繰り返します。
3. 画像解析
- ステップ2.4で実施した各実験試行について、画像が保存されているファイルを見つけ、ストロークサイクル全体を通して各フィン位置または位相のサブフォルダを作成します。画像ファイルを対応するサブフォルダにソートします。
- フィンフェーズサブフォルダごとに、200以上の画像をピクセル値配列(imread.m)として読み込みます。すべての画像のピクセル値配列を合計し、画像の数で割って平均画像を生成します。イメージを新しいファイル (imwrite.m) に書き込みます。ストロークサイクル(30ポジション)を通して、各フィン位置についてこの手順を繰り返します。
- 各平均画像(imadjust.m)でヒストグラム強調を実行して、画像のダイナミックインテンシティ範囲を使用可能な範囲いっぱいに拡張し、フィンと背景のコントラストを向上させます。
- 強度のしきい値を設定し、各画像を二値化して白黒画像(imbinarize.m)を取得します。結果として得られる白い形状は、フィン断面の断片に対応するはずです。
- バイナリ画像(bwareafilt.m)からすべての白いオブジェクト(フィンピース)を抽出し、画像(imshow.m)を表示します。各画像のバイナリ画像境界のトレースを作成し、背景(黒)ピクセル(bwboundaries.m)に触れるすべてのフィン(白)ピクセルを選択して2D形状を取得します。
注:フィンキネマティクスが課せられているため、一部のフレームで測定されたPLIF断面のビューがフィンの別の部分によって遮られることがあります。このような場合、画像から明らかなコヒーレントフィン形状がないか、またはリーディングエッジ(LE)のみが見えるままになります(図6)。 - 手順 3.1.-3.5 を実行します。各フィン断面について。
4. 3Dたわみの再構築
- フレキシブルケースにおけるLE位置(少なくともストローク軸に近い)が、同じ形状の剛性フィンにおけるLEの位置と同じであると仮定して、平面を同じ時間ステップでそれらのLEに沿って切断し、対応する剛性フィン形状の結果と比較する。
- 最小二乗フィットを使用して、すべての平面カットのフィン断面の結果の中心線形状を近似し、これらのフィットプロファイルから単純化された凸包を使用して 3D フィン形状を再構築します。
- 得られたフィン形状を3D FSIモデル(中心線から生成)と比較して、このプロセスを忠実度の高い検証として使用する方法を紹介します。
- 部分的に剛性ナイロンと部分的に柔軟なPDMSフィンの表面三角測量を生成します。
- 市販の構造ダイナミクスソフトウェア(材料表を参照)を使用して、ハイブリッド 材料の固有モードを取得します。
- スケーリングスタディを実行して、フィン表面の均一な圧力差を使用して得られた定常状態の変位に一致させます。
- ソフトウェアから取得した変位に合わせてモードをスケーリングします。
- 適切なスケール係数で、結合FSIソルバーで使用される最初のいくつかのドミナントモード(通常は7または8)を使用して、フレキシブルフィン上の非定常流れをシミュレートします。
- ボディをバックグラウンドメッシュに埋め込まれたエンティティとして扱います。
注: 結合ソルバーは、背面35 に柔軟な刺し傷がある円形円柱上を流れる Turek-Hron問題に対して検証され、羽ばたきフィン シミュレーション36 用に拡張されました。 - 実験からひれの動きの運動学を規定する。
- フラッピングサイクル全体を通して、力の生産の時間履歴といくつかの平面切断に沿ったフィンの形状を監視し、実験と比較します。
- ボディをバックグラウンドメッシュに埋め込まれたエンティティとして扱います。
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Representative Results
台形の魚にインスパイアされた人工胸びれを、2つの異なる材料(PDMS 10:1と20:1、どちらも蛍光色素と混合)で型から鋳造し、それぞれに剛性のある前縁スパーを先頭の四分音に挿入しました(図2 と 図3)。2つのフィン材料(図3)の引張試験では、PDMS 20:1およびPDMS 10:1フィンの弾性率がそれぞれ0.38MPaおよび0.82MPaであり、両方の測定でR2 が0.99でした(対応する応力-ひずみ曲線については 補足図2 を参照)。
フィンの動きを捉えるために、集束視野のマイクロメートル対ピクセル比が125μm/ピクセルになるようにカメラを配置しました。遅延発生器は、各フィンストロークの中間点にある単一のトリガ信号に基づいて、フィンストロークごとに30等間隔の時間間隔でレーザーとカメラをトリガするように配線され、プログラムされました。フィンは、レーザーシートがフィンの弦方向のセクションを通過するように配置されました。これは、フィン形状の根元から1.876 cmから13.132 cmまでの8つのスパンワイズ位置に対して行われました(図2)。
各断面について、30のストローク位置(位相)のそれぞれについて200以上の画像が得られた。プログラムされたキネマティクスは、ストローク振幅±43°、ピッチ振幅±17°でした(図7A、B)。不透明な剛性スパーのため、フィンの断面はすべての時間ステップで見えませんでしたが(図6)、これらの閉塞はまばらで、全体的な3D再構成には影響しませんでした。画像の並べ替え、平均化、しきい値設定、二値化、およびトレースに続いて、3D 表現が構築されました。この3D再構成は、FSIモデルの結果および剛性フィンモデルの構造と比較された。フレキシブルケースにおけるLE位置は、同じ形状の剛性フィンにおけるLEの位置と同じであると仮定した。しかし、剛性フィンからソフトフィンへの全体的な剛性の大幅な低下により、スパンワイズ荷重が発生し、現在の設計のLEとともに無視できないたわみが追加されました。
図7C,Dは、ストローク内の2つの位置、1つはアップストロークの中央(t = 0 s)ともう1つはダウンストロークの中央(t = 0.567 s)でのこれらの比較を示しています。この図は、PDMS 10:1フィンの流体圧力によって誘導される弦方向の曲率を示しており、実験で測定された変位/弦(d/c)=0.36(ミッドアップストロークではd/c)=0.36、ミッドダウンストロークではd/c = 0.33の最長弦部分における後縁の平均正規化弦変位につながります。これは、FSIモデルを使用したCFDシミュレーションのd/c = 0.44(ミッドアップストローク)およびミッドダウンストロークのd/c = 0.39と比較されます。結果はまた、シミュレーション用にモデル化されなかった実験のリーディングエッジに沿ったスパンワイズ偏向も示しています。
PDMS 10:1フィンとPDMS 20:1フィンの形状変形についてさらに比較を行った(図8A)。アップストロークの途中(t = 0 s,)では、最長弦セクションのトレーリングエッジ変位は、PDMS 10:1フィンではd/c = 0.36、PDMS 20:1ではd/c = 0.51として測定されました。最後に、 図8B は、ミッドアップストローク(t = 0.567s)におけるPLIF、FSI、およびリジッドケースから再構築された3Dフィン形状を示しています。これは、FSIシミュレーションに忠実度の高い検証を提供する本手法の能力を示しています。
変形時間履歴の測定に加えて、前に詳述したように、推力および機械的パワーの直接測定は、フィン推進性能を分析するための貴重なデータを提供する。提示された運動学のために、PDMS 10:1フィンは、歪みゲージロードセルで測定されたFx = 0.51Nのストローク平均推力と、電流および電圧センサで測定されたPm = 2.38Wの平均総電力を生成した。PDMS 10:1 フィールドの CFD シミュレーションから計算された推力と流体力学パワーは、Fx = 0.50 N および Ph = 0.49 W をもたらしました。PDMS 20:1フィンは実験的に測定されたストローク平均推力Fx = 0.48 N、平均出力Pm = 2.30 Wを生み出した。流体力学的電力は総電力の約20%を占め、モータの機械的損失は消費電力のより大きな要因であった。そのため、流体力学的パワーと効率の違いは、異なる材料特性のフィン間で大きく異なる可能性がありますが、総出力は比較的一貫していました。
図1:フィン(AおよびB)および引張試験片(C)を鋳造するためのカスタムプラスチック金型。 フィンの金型と硬質スパーを硬質プラスチック(黒とグレー)で3Dプリントし、フィンと引張試験片を蛍光染料(ピンク)と混合したPDMSから鋳造しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:実験で使用した生体に触発されたフィン平面形状 (A)剛性スパー(灰色)とPDMSフィン(青色)を示すCADモデル、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)実験で使用された弦方向断面を示す破線の黒い線。(B)蛍光PDMSフィン(ピンク)と硬質プラスチックスパー(白)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:完成したフィンおよび引張試験片の例。 黒色の剛性スパー(左)と引張試験用のタイプIV試験片の3つの例を備えた金型鋳造PDMSフィン(右)は、蛍光PDMSの各バッチの材料特性を得る。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:実験セットアップ。(A)レーザーと光学系、緑色レーザーシート、タンク、プラットフォームに取り付けられたフィン、およびカメラを使用した実験セットアップの3D CADビュー。(B)タンクに取り付けられたフィンをレーザーをオンにし、右端にカメラが見える画像例。このタンデムフィンのセットアップには2つのフィンが示されており、フィン-フィン相互作用の将来の研究のための運動学を得ることができますが、この研究では前フィンについてのみPLIF測定値が記録されました。さらに、画像にはセットアップを視覚化するための環境光が含まれていますが、信号対雑音比を向上させるために、すべての実験中に周囲光がオフになっています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:キャリブレーション画像 実験を実行する前に、マイクロメートル対ピクセル比を測定するために、標準定規を使用して較正画像を得た。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:3つの時間ステップのフィン画像を重ね合わせた、1つの時間ステップでのフィン閉塞の代表例を示す。フィンの断面はステップ1とステップ3で見ることができますが、不透明な剛性スパーはステップ2でフィンを閉塞し、フィン位置の推定値は黄色で描画されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:フィンキネマティクス 。(A)フィンキネマティクスのストローク振幅(±43°)と(B)ピッチ振幅(±17°)の経時変化。PDMS 10:1フィン(水色)、PDMS 10:1フィン(赤)、および剛性フィン(黒)のFSIデータの比較を、(C)アップストロークおよび(D)ダウンストロークにおける2つの時間ステップにおけるフィン位置の違いを例示する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:フィン変形の比較 。(A)フィン変形に対する剛性の影響を実証するために、1つの例の時間ステップでフィン運動学を得るPLIF法の比較。より適合した20:1 PDMSフィン(濃い青)のPLIF測定は、より剛性の10:1 PDMSフィン(水色)よりも多くの変形を示し、どちらも剛性フィン(黒)と大きな違いを示しています。(B)10:1 PDMSのPLIF、10:1 PDMSのFSI、および表面フィットを比較するための1つの例の時間ステップでの剛体ケースから3D再構成されたフィン形状。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:遅延発生器のソフトウェアインタフェース 遅延発生器を制御するためのソフトウェアのユーザーインターフェイスは、2つのレーザーヘッドとカメラのタイミングをフィントリガーで調整することによって、30HzでPLIF画像を生成するための設定を備えています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:PDMSの引張試験結果。 PDMS の 2 つの混合の応力-ひずみ曲線(20:1、弾性率が 0.38 MPa のより柔軟な混合、および弾性率が 0.82 MPa のより剛性の高い混合の 10:1)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足コーディング・ファイル 1: 「Assembly2.stl」は、カスタムフィンモールドを3Dプリントするためのファイルの集合体です。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足コーディング・ファイル 2: 「SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl」は、サーボへのアタッチメントとして機能するフィンの剛体部分であるフィンインサートを印刷するためのSTLファイルです。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足コーディングファイル3: 「SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl」は、フレキシブルフィン用の3Dプリントモールドの左半分です。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足コーディング・ファイル 4: 「SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl」は、フレキシブルフィン用の3Dプリントモールドの右半分です。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足コーディング・ファイル 5: 「ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl」は、引張試験用のタイプIV試験片を作成するための3Dプリント金型です。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
平面レーザー誘起蛍光は、典型的には、流体を染料で播種することによって水性流れを視覚化するために使用され、これはレーザーシート25、26に曝されたときに蛍光を発する。しかし、PLIFを用いて適合材料の変形を可視化することはこれまで報告されておらず、本研究では、PLIFを用いてフレキシブルソリッドフィンの高分解能形状変形の時間履歴測定値を得る手法について述べている。これらのフィン測定値をFSIシミュレーションと比較すると、数値モデルが検証され、フィンの設計と制御に計算結果を使用することにさらに自信が持てます。
適合材料に対するPLIFの制限の中で、変形特性評価には、構造内の不透明な要素(この研究における最先端の剛性スパー)による閉塞が含まれる。さらに、PLIF技術は、PDMSと水界面における光の局所入射角が関連する臨界値を超えたときに発生する全内部反射(TIR)の影響を受けます。鋳造PDMSフィンは光学的に透明ですが、水(1.33)よりもはるかに高い屈折率(1.49)を持ち、臨界角63.5°で光学的歪みと閉塞を引き起こします。したがって、大きな変形がある場合(例えば、本研究ではフィンの端部付近)、局所的な入射角が63.5°を超えることがある。その結果、入射したレーザー光はフィンに反射して戻り、撮影画像上の「蛍光領域」がはるかに大きくなり、この技術から検出される画質や形状に影響を与えます。将来の研究のためにこの問題を解決する1つの方法は、ヨウ化ナトリウム(NaI)溶液40などの光学インデックス整合作動流体を使用することである。しかし、この問題はほとんどのひれの断面に影響を与えないため、これは本研究の範囲外であると考えられる。
光学指数マッチングが実現不可能な場合、鋳造中の蛍光顔料の濃度を調整して、この影響を緩和することができる。蛍光色素の濃度を高くするとSNRを向上させることができるが、顔料が多すぎてフィンの曲率(たわみ)が高いと、内部反射の効果が強くなりすぎることがある。これにより、これらのプロファイルの画像が拡張される可能性があります。さらに、内部反射の影響を最小限に抑えるために、予想される優勢な偏向(存在する場合)に対して最適なレーザー入射角を決定するために、強力な考慮が必要です。たとえば、断面プロファイルは上下のストロークで異なります。後者では、光がフィンのLE側を屈折するにつれて、後続の弦方向の位置で複数の内部反射を受け、プロファイル形状が大幅に拡大した。アップストロークの場合、入射光はフィンの剛性部分または可撓性部分と複数回相互作用せず、鮮明なプロファイルをもたらしました。この変動は、ストロークサイクル中にも透過と反射の程度が変化するため、一般的なプロファイルマスクがアルゴリズム的に生成されるのを妨げます。画像解析では、これに対処するために動的なしきい値が考慮されますが、断面エンベロープを自動的に生成することは依然として困難です。
凹面は、凸面よりも内部反射を起こしやすい。したがって、より正確な中心線プロファイルを得るための代替アプローチは、凸面を半平均フィン厚さでオフセットすることによって探求された。しかし、得られたプロファイルは、最小二乗適合によって得られたプロファイルと比較して有意に変化しなかった。
さらに、引張試験およびその後のカーブフィッティングは、小ひずみ39について線形応力ひずみ関係を仮定する。ただし、この仮定は、FSIモデルへの入力として使用される計算された固有周波数に影響を与える、より大きな変形には有効ではありません。このような非線形効果を考慮することによって、より正確なFSI予測を得るための努力は、現在の範囲外であるが、将来の研究には関連していると考えられる。
したがって、この研究は、生体に触発されたロボットフィンに対するフィンの剛性の影響を実証し、計算モデルを検証しました。他のPLIF研究25に記載されているように、固体変形のこれらの測定と流体の流れの同時測定を組み合わせることで、将来の研究は、さまざまな波長と複数のカメラで蛍光を発する色素を統合することによって、ロボットフィン、バイオインスパイアソフトロボット、およびその他のアプリケーションにおけるFSIの実験分析を改善する。他の研究分野でPDMSが広く使用されているため24、柔軟な固体の変形を視覚化するこのPLIF技術は、工学、物理学、生物学、医学の研究者のコミュニティに利益をもたらす可能性があります。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もありません。
Acknowledgments
この研究は、米国海軍研究所(NRL)6.2ベースプログラムを通じて海軍研究局によって支援され、Kaushik SampathがNRLの音響部門の従業員であり、Nicole XuがNRLの計算物理学および流体力学研究所でNRCリサーチアソシエイトシップ賞を受賞した間に実施されました。著者らは、Ruben Hortensius博士(TSI Inc.)の技術サポートと指導に感謝したいと思います。
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 |
References
- Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J.
- 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).
- 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).
- 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).
- Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
- Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
- Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
- Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
- Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
- Davidson, D. F., Hanson, R. K.
- Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
- Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
- Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
- 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).
- 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).
- Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
- D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
- Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).
