Summary
본 프로토콜은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료로 제작된 수중 플랩핑 핀에서 3D 형상 변형의 측정 및 특성화를 포함합니다. 이러한 변형의 정확한 재구성은 준수 플랩핑 핀의 추진 성능을 이해하는 데 필수적입니다.
Abstract
다양한 어종의 지느러미에서 영감을 얻은 추진 메커니즘은 무인 차량 시스템에서 향상된 기동 및 스텔스 기능에 대한 잠재력을 감안할 때 점점 더 연구되고 있습니다. 이러한 핀 메커니즘의 멤브레인에 사용되는 연질 재료는 더 단단한 구조에 비해 추력과 효율을 높이는 데 효과적임이 입증되었지만 이러한 연질 멤브레인의 변형을 정확하게 측정하고 모델링하는 것이 필수적입니다. 이 연구는 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)을 사용하여 유연한 수중 플랩 핀의 시간 의존적 인 형태 변형을 특성화하기위한 워크 플로우를 제시합니다. 다양한 강성 (0.38 MPa 및 0.82 MPa)을 가진 안료 폴리 디메틸 실록산 핀 멤브레인은 피치와 롤의 두 가지 자유도에서 작동을 위해 어셈블리에 제작되고 장착됩니다. PLIF 이미지는 다양한 스팬 평면에 걸쳐 수집되고, 핀 변형 프로파일을 얻기 위해 처리되며, 결합되어 시간이 변화하는 3D 변형된 핀 모양을 재구성합니다. 그런 다음 데이터는 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하고 이러한 복잡한 추진 시스템의 성능에 대한 이해를 향상시키는 데 사용됩니다.
Introduction
자연에서 많은 물고기 종은 다양한 몸과 지느러미 운동을 사용하여 운동을하기 위해 진화했습니다. 물고기 이동의 원리를 확인하기위한 연구는 생물 학자와 엔지니어가 수중 차량을위한 유능한 차세대 추진 및 제어 메커니즘을 개발하기 위해 함께 노력했기 때문에 생물 영감을받은 추진 시스템의 설계를 주도하는 데 도움이되었습니다. 다양한 연구 그룹은 핀 구성, 모양, 재료, 스트로크 매개 변수 및 표면 곡률 제어 기술 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12를 연구했습니다. . 단일 및 다중 핀 시스템에서 추력 생성을 이해하기 위해 팁 와류 생성 및 웨이크 성향을 특성화하는 것의 중요성은 계산 및 실험 13,14,15,16,17,18 모두에서 수많은 연구에서 문서화되었습니다. 웨이크 경사를 줄이고 추력(17)을 증가시키기 위해 다양한 연구에서 보여지는 준수 재료로 만들어진 핀 메커니즘의 경우, 유동 구조 분석과 쌍을 이루기 위해 변형 시간-이력을 포착하고 정확하게 모델링하는 것도 필수적입니다. 그런 다음 이러한 결과를 사용하여 계산 모델을 검증하고, 핀 설계 및 제어를 알리고, 검증19가 필요한 유연한 재료에 불안정한 유체 역학 부하에서 활발한 연구 영역을 촉진 할 수 있습니다. 연구에 따르면 상어 지느러미 및 기타 복잡한 물체 20,21,22에서 직접 고속 이미지 기반 모양 추적을 사용했지만 복잡한 3D 핀 모양은 종종 광학 액세스를 차단하여 측정하기가 어렵습니다. 따라서, 유연한 핀 운동을 시각화하기 위한 간단하고 효과적인 방법에 대한 절실한 필요성이 존재한다.
고분고분한 핀 메커니즘에 널리 사용되는 물질은 Majidi et al.24에 의한 검토에서 광범위하게 기술된 바와 같이, 그의 저비용, 사용의 용이성, 강성을 변화시킬 수 있는 능력, 및 수중 응용(23)과의 호환성으로 인해 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. 이러한 이점 외에도 PDMS는 광학적으로 투명하여 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)과 같은 광학 진단 기술을 사용하는 측정에 도움이됩니다. 전통적으로 실험 유체 역학(25) 내에서, PLIF는 염료 또는 부유 입자로 유체를 시딩하거나 레이저 시트(26,27,28,29)에 노출되었을 때 형광을 띠는 흐름에 이미 있는 종으로부터의 양자 전이를 이용함으로써 유체 흐름을 시각화하는데 사용되어 왔다. 이 잘 정립 된 기술은 근본적인 유체 역학, 연소 및 해양 역학 26,30,31,32,33을 연구하는 데 사용되었습니다.
본 연구에서, PLIF는 유연한 물고기에서 영감을 얻은 로봇 지느러미에서 모양 변형의 시공간 분해 측정을 얻는 데 사용됩니다. 유체를 염료로 시딩하는 대신, PDMS 핀의 수중 운동학은 다양한 코드 방향 단면에서 시각화됩니다. 평면 레이저 이미징은 추가적인 형광 없이 일반 캐스트 PDMS에서 수행할 수 있지만, 형광을 향상시키기 위해 PDMS를 수정하면 핀 장착 하드웨어와 같은 배경 요소의 영향을 줄임으로써 이미지의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있습니다. PDMS는 형광 입자 시딩 또는 색소침착에 의해 두 가지 방법을 채용함으로써 형광을 만들 수 있다. 주어진 부분 비율에 대해, 전자는 생성된 캐스트 PDMS(34)의 강성을 변화시킨다는 것이 보고되었다. 따라서, 무독성, 상용화된 안료를 투명한 PDMS와 혼합하여 PLIF 실험을 위한 형광 핀을 캐스팅하였다.
계산 모델 검증을 위해 이러한 핀 운동학 측정을 사용하는 예를 제공하기 위해, 실험 운동학은 핀의 결합 유체-구조 상호작용(FSI) 모델의 값과 비교된다. 계산에 사용되는 FSI 모델은 핀에 대해 측정된 재료 특성을 사용하여 계산된 첫 번째 일곱 고유 모드를 기반으로 합니다. 성공적인 비교는 핀 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 대한 계산 결과 사용에 대한 확신을 제공합니다. 또한, PLIF 결과는이 방법이 향후 연구에서 다른 수치 모델을 검증하는 데 사용될 수 있음을 입증합니다. 이러한 FSI 모델에 대한 추가 정보는 선행 작업(35,36) 및 전산 유체 역학 방법(37,38)의 기본 텍스트에서 찾을 수 있다. 미래의 연구는 또한 로봇 지느러미, 바이오 영감을받은 소프트 로봇 및 기타 응용 분야에서 FSI에 대한 향상된 실험 연구를 위해 고체 변형 및 유체 흐름을 동시에 측정 할 수 있습니다. 또한 PDMS 및 기타 호환 가능한 엘라스토머는 센서 및 의료 기기를 포함한 다양한 분야에서 널리 사용되기 때문에이 기술을 사용하여 유연한 고체의 변형을 시각화하면 엔지니어링, 물리학, 생물학 및 의학 분야의 더 큰 연구자 커뮤니티에 도움이 될 수 있습니다.
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Protocol
1. 핀 제작
- 원하는 모양 디자인을 기반으로 핀 금형을 만듭니다.
- 지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 마감 몰드를 설계하고 제작합니다(그림 1). 보충 코딩 파일 1-4에서 금형을 제작하기 위한 STL 파일을 참조하십시오.
- 3D 프린팅된 경질 플라스틱 리딩 엣지 스파와 같은 구조 요소를 몰드에 삽입합니다. 보충 코딩 파일 2에서 스파의 STL 파일을 참조하십시오.
- PDMS ( 재료 표 참조)를 원하는 부품 비율로 혼합하십시오.
- 경화제에 대한 베이스 엘라스토머의 부분 비율(즉, 10:1 또는 20:1)을 선택하여 각각 더 높거나 낮은 탄성 모듈러스를 달성하십시오. 상응하는 양의 염기와 경화제를 계량하십시오.
주: 10:1 및 20:1 (경화제에 대한 엘라스토머) 둘 다 본 연구에 사용되었다. - 전체 혼합물이 원하는 색소 침착의 밝기에 따라 0.1 중량 % -1 중량 %의 안료를 함유하도록하는 형광 안료 ( 표 표 참조)를 측정하십시오. 안료를 PDMS 블렌드에 첨가한다.
- 측정된 양의 엘라스토머, 경화제 및 안료를 유성 원심 혼합기 (30 초 동안 423 x g에서 혼합하고 30 초 동안 465 x g에서 탈통기)에 붓고 그에 따라 혼합하십시오.
- 경화제에 대한 베이스 엘라스토머의 부분 비율(즉, 10:1 또는 20:1)을 선택하여 각각 더 높거나 낮은 탄성 모듈러스를 달성하십시오. 상응하는 양의 염기와 경화제를 계량하십시오.
- 지느러미를 몰드에 던지십시오.
- PDMS 혼합물을 탈기하고 핀용 몰드에 붓는다. 주형을 70°C의 오븐에 45분 동안 넣고, 37°C에서 밤새 경화시킨다.
- 경화가 완료되면 몰드에서 캐스트 핀을 제거합니다(그림 2).
- ASTM 표준39에 따라 인장 시험을 수행합니다.
- 단계 1.3.에서 각각의 핀 캐스팅에 대해, 앞서 설명된 단계 1.1.-1.3을 사용하여 타입 IV 형상 주형에서 동일한 PDMS 및 안료 블렌드를 사용하여 하나의 타입 IV 시편을 캐스팅한다.
참고: 보충 코딩 파일 5 (그림 1C에 표시된 몰드)에서 Type IV 시편을 주조하려면 STL 파일을 참조하고, 테스트된 Type IV 샘플의 예는 그림 3 을 참조하십시오. - 시험 시편을 인장 시험기에 끼워 넣으십시오 ( 재료 표 참조). 좁은 샘플 단면의 초기 길이, 폭 및 두께(mm)를 측정합니다.
- 시험 시편을 5mm 단위로 장력 있게 하여 시료가 지나치게 늘어나지 않고 탄성 영역에서만 연신되도록 합니다. 총 샘플 변위가 0mm(원래 위치)가 될 때까지 장력을 5mm 단위로 줄입니다. 각 증분마다 좁은 단면의 길이(mm)와 힘(N)을 기록합니다.
- 샘플의 탄성 계수를 계산하려면 응력-변형 곡선을 플로팅하고 최적의 선형 적합도와R2 값을 결정합니다.
- 단계 1.3.에서 각각의 핀 캐스팅에 대해, 앞서 설명된 단계 1.1.-1.3을 사용하여 타입 IV 형상 주형에서 동일한 PDMS 및 안료 블렌드를 사용하여 하나의 타입 IV 시편을 캐스팅한다.
2. 실험 설정 및 시험
- PLIF 하드웨어( 재료 표 참조)를 직사각형 유리 물탱크(2.41m x 0.76m x 0.76m)에 장착합니다.
- 펄스 레이저 시스템( 재료 표 참조)을 장착하고 사용하여 그림 4와 같이 지정된 주파수(30Hz)에서 중간 평면에서 탱크를 교차하는 평면 광 시트를 생성합니다.
- 렌즈(35mm) 및 종합 형광 필터(560nm)가 장착된 4MP 전하 결합 장치(CCD) 카메라를 장착하고 사용합니다( 재료 표 참조).
- 레이저 시트 평면에 배치된 눈금자를 사용하여 CCD 카메라에서 단일 이미지를 촬영하여 마이크로미터-픽셀 변환을 보정합니다(그림 5). 카메라에서 두 위치를 선택하고 픽셀을 분리하여 거리를 마이크로미터로 나눕니다. 이 마이크로미터 대 픽셀 비율이 응용 분야에 충분히 작은지(서브밀리미터) 확인하십시오.
- 핀 소프트웨어의 트리거 출력과 지연 발생기 및 관련 소프트웨어의 신호를 사용하여 레이저 펄스 및 카메라 이미지를 플래핑 핀과 동기화합니다( 참조). 물자의 표)를 사용하여 카메라, 레이저 헤드 및 핀 동작을 조정합니다. 보다 보충 그림 1 지연 발생기 소프트웨어 인터페이스 설정의 예를 들어.
- 레이저 시스템을 설정합니다.
참고: 모든 레이저 안전 조치가 제도적 지침을 준수하는지 확인하십시오.- 전원 키를 오른쪽으로 돌려 레이저 헤드를 냉각하는 냉각기를 작동시켜 레이저 시스템을 켭니다. 시스템이 레이저에 전원을 공급할 준비가 될 때까지 오류 표시등이 깜박입니다. 모든 레이저 모드가 올바르게 설정될 때까지 레이저를 켜는 전원 단추를 누르지 마십시오.
- 트리거 소스를 EXT LAMP/EXT Q-SW(외부 램프/외부 Q 스위치)로 설정합니다.
- 두 레이저 헤드 모두에 대해 레이저 에너지를 원하는 레벨(즉, 최대 전력의 약 60%-80%)으로 설정하고 각 Q 스위치 버튼을 눌러 Q 스위치 가 켜져 있는지 확인합니다.
- 전원 단추를 눌러 레이저를 켭니다.
참고: 트리거 소스가 EXT LAMP/EXT Q-SW로 설정되어 있으므로 레이저 헤드는 발사할 준비가 되어 있지만 시스템이 소프트웨어로부터 외부 트리거를 수신한 후에만 실행됩니다.
- 카메라를 설정합니다.
- 카메라에 전원 케이블을 연결하고 컴퓨터 및 소프트웨어에 올바르게 연결되었는지 확인합니다.
- 카메라 설정 소프트웨어를 열고 적절한 포트를 선택하십시오.
- 트리거 > 설정에서 "트리거 입력:"을 외부로 설정하고 "모드:"를 빠름으로 설정합니다.
- 노출에서 " 노출 제어"를 꺼짐으로 설정합니다.
- 카메라 캡처 소프트웨어를 열고 적절한 카메라 카드를 선택하십시오.
- 시퀀스 잡기 버튼을 클릭합니다.
- 캡처 설정 버튼을 클릭하고, TIFF 이미지를 선택하고, 일련의 프레임 ...을 선택하고, 원하는 파일 경로, 6자리 숫자, 연속 및 수락을 선택합니다.
- 캡처 시작을 클릭하십시오.
주: 카메라 설정이 외부 트리거로 설정되면 카메라는 이미지를 수집할 준비가 되었지만 시스템이 소프트웨어로부터 외부 트리거를 수신한 후에만 이러한 이미지를 캡처합니다.
- 지연 발생기를 설정합니다.
- 지연 발생기를 켜고 외부 게이트 채널을 핀 트리거에 연결하고, 채널 A-D를 레이저에 연결하고(A: 레이저 헤드 1, B: Q-스위치를 레이저 1로, C: 레이저 헤드 2, D: Q를 레이저 2로 전환), 채널 E를 카메라에 연결합니다.
- 지연 발생기 소프트웨어를 엽니다.
- 버스트로 "펄스 모드"를 선택하고 "시스템 해상도"를 4ns로 선택하십시오.
- "기간"을 0.033333352로 설정합니다.
- "외부 트리거/게이트 모드"를 트리거됨으로, "임계값(V)"을 0.20으로, "트리거 에지"를 상승으로 설정합니다.
- 채널 > Ch A에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.0000000004로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 T0으로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 A로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.
- 채널 > Ch B에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000138000으로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch A로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 B로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.
- Ch C> 채널에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.033333304로, "폭(들)"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch A로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 C로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.
- 채널 > Ch D에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000138000으로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch C로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 D로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.
- 채널 > Ch E에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000000004로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 보통으로, "대기 횟수"를 0으로, "동기화 소스"를 T0으로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 E로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.
- 레이저 시스템을 설정합니다.
- 레이저 시트가 선택한 스팬 와이즈 위치에서 핀의 한 코드 단위를 통과하도록 핀을 정렬하고 장착 하드웨어로 핀 플랫폼을 고정하십시오.
- 전원을 핀 제어 하드웨어 및 핀 모터에 연결( 재료 표 참조)하여 선택한 운동학으로 핀 플랩을 시작하고 모든 주변광을 끕니다.
- 지연 발생기 소프트웨어에서 Run 을 눌러 동기화된 실험을 시작하고 스트로크 사이클 동안 레이저 시트와 핀의 교차점의 이미지를 획득합니다. 이것은 200 + 스트로크 사이클에 걸쳐 수행되어야합니다.
- 지연 발생기 소프트웨어에서 중지 를 누르고 전원에서 핀을 분리합니다.
- 레이저 시트가 새로운 스팬 와이즈 위치에서 교차하도록 핀 플랫폼을 이동하고 실험을 수행하여 이미지를 다시 획득하십시오. 2.3.-2.6단계를 반복합니다. 원하는 측정 횟수( 그림 2A의 검은색 점선으로 표시된 것처럼 여덟 개의 서로 다른 스팬 방향 위치)에 대한 것입니다.
- 핀을 추가 원하는 핀 멤브레인 (두 개의 핀 강성, PDMS 10 : 1 및 PDMS 20 : 1)으로 교체하고 실험을 반복하십시오.
3. 이미지 분석
- 단계 2.4.에서 수행된 각 실험 시험에 대해 이미지가 저장되는 파일을 찾고 스트로크 주기 동안 각 핀 위치 또는 단계에 대한 하위 폴더를 만듭니다. 이미지 파일을 해당 하위 폴더로 정렬합니다.
- 각 핀 단계 하위 폴더에 대해 200개 이상의 이미지를 픽셀 값 배열(imread.m)로 읽습니다. 모든 이미지에 대한 픽셀-값 배열을 합산하고 이미지 수로 나누어 평균 이미지를 생성합니다. 이미지를 새 파일(imwrite.m)에 씁니다. 스트로크 주기 동안 각 핀 위치(30개 위치)에 대해 이 단계를 반복합니다.
- 각 평균 이미지(imadjust.m)에 대해 히스토그램 향상을 수행하여 이미지의 동적 강도 범위를 사용 가능한 전체 범위로 확장하여 핀과 배경 간의 대비를 개선합니다.
- 강도 임계값을 설정하고 각 이미지를 이진화하여 흑백 이미지(imbinarize.m)를 얻습니다. 결과 흰색 모양은 지느러미 단면의 조각과 일치해야합니다.
- 이진 이미지(bwareafilt.m)에서 모든 흰색 개체(핀 조각)를 추출하고 이미지(imshow.m)를 표시합니다. 각 이미지에 대한 이진 이미지 경계의 추적을 만들어 배경(검정) 픽셀(bwboundaries.m)에 닿는 모든 핀(흰색) 픽셀을 선택하여 2D 모양을 가져옵니다.
참고: 부과된 핀 운동학으로 인해, 일부 프레임에서 PLIF 측정 단면의 뷰는 핀의 다른 부분에 의해 가려질 수 있습니다. 이러한 경우 이미지에서 뚜렷한 일관된 핀 모양이 없거나 선행 모서리(LE)만 표시됩니다(그림 6). - 3.1.-3.5단계를 수행합니다. 각 핀 횡단면에 대해.
4. 3D 편향의 재구성
- 플렉시블 케이스에서 LE 위치(적어도 스트로크 축에 더 가까운)가 동일한 형상의 경질 핀에서 LE의 위치와 동일하다고 가정하면, 동일한 시간 스텝 동안 그들의 LE를 따라 평면 컷을 라인하고, 대응하는 경질 핀 형상으로부터의 결과와 비교한다.
- 최소 제곱 핏을 사용하여 모든 평면 컷에 대한 핀 횡단면의 결과 중심선 모양을 근사화하고 이러한 피팅 프로파일에서 단순화된 볼록한 선체를 사용하여 3D 핀 모양을 재구성합니다.
- 결과 핀 모양을 3D FSI 모델(중심선에서 생성됨)과 비교하여 이 프로세스를 고충실도 검증으로 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다.
- 부분적으로 경질 나일론 및 부분적으로 가요성 PDMS 핀의 표면 삼각 측량을 생성한다.
- 상업적 구조 역학 소프트웨어( 표 참조)를 사용하여 하이브리드 재료의 고유 모드를 구하십시오.
- 핀 표면에서 균일한 압력 차이를 사용하여 얻은 정상 상태 변위를 일치시키기 위해 스케일링 연구를 수행합니다.
- 소프트웨어에서 얻은 변위에 맞게 모드의 크기를 조정합니다.
- 적절한 스케일 팩터를 사용하여 결합된 FSI 솔버에 사용되는 처음 몇 개의 지배적 모드(일반적으로 7 또는 8)를 사용하여 유연한 핀에 대한 불안정한 흐름을 시뮬레이션합니다.
- 몸체를 배경 메쉬에 내장 된 엔티티로 취급하십시오.
주: 결합된 솔버는 후면(35 )에서 유연한 스팅을 갖는 원형 실린더를 통한 유동의 Turek-Hron 문제에 대해 검증되었고, 플랩핑 핀 시뮬레이션(36)을 위해 확장되었다. - 실험에서 핀 운동의 운동학을 처방하십시오.
- 힘 생산의 시간 기록과 플랩 사이클 동안 여러 평면 절단을 따라 지느러미의 모양을 모니터링하고 실험과 비교합니다.
- 몸체를 배경 메쉬에 내장 된 엔티티로 취급하십시오.
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Representative Results
사다리꼴 물고기에서 영감을 얻은 인공 가슴 지느러미를 두 가지 다른 재료 (PDMS 10 : 1 및 20 : 1, 형광 염료와 혼합)로 주형에서 주조했으며, 각각 리드 쿼터 코드에 단단한 최첨단 스파가 삽입되었습니다 (그림 2 및 그림 3). 두 핀 재료의 인장 시험(그림 3)은 PDMS 20:1 및 PDMS 10:1 핀에 대해 각각 0.38MPa 및 0.82MPa의 탄성 모듈리를 산출했으며, 두 측정 모두R2가 0.99입니다(해당 응력-변형 곡선에 대한 보충 그림 2 참조).
핀의 움직임을 캡처하기 위해 초점을 맞춘 시야각의 마이크로미터 대 픽셀 비율이 125μm/픽셀이 되도록 카메라를 배치했습니다. 지연 발생기는 각 핀 스트로크의 중간 지점에서 단일 트리거 신호를 기반으로 핀 스트로크 당 30 개의 동일한 간격으로 레이저와 카메라를 트리거하도록 배선되고 프로그래밍되었습니다. 지느러미는 레이저 시트가 지느러미의 코드 와이즈 섹션을 통과하도록 위치되었습니다. 이것은 핀 형상의 뿌리에서 1.876cm에서 13.132cm까지의 8개의 스팬 방향 위치에 대해 수행되었습니다(그림 2).
각 단면에 대해, 30개의 스트로크 위치(phases) 각각에 대해 200개 이상의 이미지가 획득되었다. 프로그래밍된 운동학은 ±43°의 스트로크 진폭과 ±17°의 피치 진폭을 산출했습니다(그림 7A,B). 불투명한 경질 스파로 인해 핀 단면은 매 단계마다 보이지 않았지만 (그림 6), 이러한 폐색은 희박했으며 전체 3D 재구성에 영향을 미치지 않았습니다. 이미지 정렬, 평균화, 임계값 지정, 이진화 및 추적에 따라 3D 표현이 구성되었습니다. 이 3D 재구성은 FSI 모델의 결과 및 단단한 지느러미 모델의 구조와 비교되었습니다. 가요성 케이스에서의 LE 위치는 동일한 형상에 대해 경질 핀에서의 LE의 위치와 동일하다고 가정하였다. 그러나, 강성에서 소프트 핀으로 가는 전체 강성의 실질적인 감소는 스패와이즈 로딩을 초래하여, 본 설계를 위한 LE와 함께 무시할 수 없는 편향을 추가하였다.
도 7C,D는 스트로크의 두 위치, 즉 업스트로크의 중간(t=0s)과 다운스트로크의 중간(t=0.567s)에 있는 두 위치에서의 이러한 비교를 도시한다. 이 그림은 PDMS 10:1 핀의 유체 압력에 의해 유도되는 코드 곡률을 보여 주며, 실험에서 측정된 바와 같이 변위/코드(d/c) = 중간 업스트로크에서 0.36, 중간 다운스트로크에서 d/c = 0.33의 가장 긴 코드 섹션에서 후행 에지의 평균 정규화된 코드 변위를 유도합니다. 이는 CFD 시뮬레이션에서 FSI 모델과 CFD 시뮬레이션의 중간 업스트로크에서 d/c = 0.44 및 중간 다운스트로크의 d/c = 0.39와 비교됩니다. 이 결과는 또한 시뮬레이션을 위해 모델링되지 않은 실험의 최첨단을 따라 약간의 스팬 방향 편향을 보여줍니다.
PDMS 10:1과 PDMS 20:1 핀의 형상 변형을 추가로 비교하였다(도 8A). 업스트로크의 중간(t = 0 s,)에서 가장 긴 코드 섹션에서의 후행 에지 변위는 PDMS 10:1 핀의 경우 d/c = 0.36으로, PDMS 20:1의 경우 d/c = 0.51로 측정되었다. 마지막으로, 도 8B 는 업스트로크 중반의 PLIF, FSI 및 강성 케이스로부터 재구성된 3D 핀 형상을 도시한다(t=0.567s). 이는 FSI 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하는 본 기술의 기능을 보여줍니다.
앞서 자세히 설명했듯이 변형 시간 이력의 측정 외에도 추력 및 기계적 동력의 직접 측정은 핀 추진 성능을 분석하는 데 유용한 데이터를 제공합니다. 제시된 운동학의 경우, PDMS 10:1 핀은 스트레인 게이지 로드 셀로 측정된 Fx = 0.51 N의 스트로크 평균 추력과 전류 및 전압 센서로 측정된Px = 2.38W의 평균 총 전력을 생성했습니다. PDMS 10:1 필드에 대한 CFD 시뮬레이션으로부터 계산된 추력 및 유체역학적 전력은Fx = 0.50N 및H = 0.49 W를 산출하였다. PDMS 20:1 핀은 실험적으로 측정된 스트로크 평균 추력인Fx = 0.48N과Pm =2.30W의 평균 전력을 생성했습니다. 유체 역학적 전력은 전체 전력의 약 20 %를 차지하는 반면, 모터의 기계적 손실은 전력 소비에 더 큰 기여를했습니다. 따라서 유체 역학적 힘과 효율의 차이는 서로 다른 재료 특성의 핀간에 크게 다를 수 있었지만 총 전력은 상대적으로 일관되게 유지되었습니다.
그림 1: 핀(A 및 B)과 인장 시험 시편(C)을 주조하는 맞춤형 플라스틱 몰드. 핀에 대한 몰드 및 경질 스파는 경질 플라스틱 (검정 및 회색)으로 3D 인쇄되었고, 핀 및 인장 시험 시편은 형광 염료 (분홍색)와 혼합 된 PDMS에서 주조되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 실험에 사용된 생체영감 핀 평면형 형상 . (A) 평면 레이저 유도 형광(PLIF) 실험에 사용된 코드 방향 단면을 나타내는 파선 검정선과 함께 경질 스파(회색) 및 PDMS 핀(파란색)을 보여 주는 CAD 모델입니다. (B) 경질 플라스틱 스파(백색)를 갖는 형광 PDMS 핀(분홍색). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 완성된 핀 및 인장 시험 시편의 예. 몰드-캐스팅된 PDMS 핀과 블랙 경질 스파(왼쪽) 및 인장 시험을 위한 Type IV 시편의 세 가지 예(오른쪽)를 사용하여 형광 PDMS의 각 배치의 재료 특성을 얻었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 실험 설정. (A) 레이저 및 광학, 녹색 레이저 시트, 탱크, 플랫폼에 장착된 핀 및 카메라를 사용한 실험 설정의 3D CAD 보기. (B) 레이저가 켜져 있고 맨 오른쪽에 카메라가 보이는 탱크에 장착 된 핀을 보여주는 예제 이미지. 핀-핀 상호작용에 대한 향후 연구를 위한 운동학을 얻을 수 있는 이 탠덤 핀 셋업에서 두 개의 핀이 보여지지만, PLIF 측정은 본 연구에서 프론트 핀에 대해서만 기록되었다. 또한 이미지에는 설정을 시각화하기 위한 주변광이 포함되어 있지만 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 모든 실험 중에 주변 조명이 꺼졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 보정 이미지. 실험을 실행하기 전에, 마이크로미터 대 픽셀 비율을 측정하기 위해 표준 눈금자를 사용하여 보정 이미지를 수득하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 한 번에 핀 폐색의 대표적인 예와 함께 겹쳐진 세 개의 시간 단계의 핀 이미지. 핀 단면은 1단계와 3단계에서 볼 수 있는 반면, 불투명한 경질 스파는 2단계에서 핀을 가리며, 여기서 핀 위치의 추정치는 노란색으로 그려집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 핀 운동학 . (A) 시간에 따른 핀 운동학의 스트로크 진폭(±43°) 및 (B) 피치 진폭(±17°)입니다. PDMS 10:1 핀(연한 파란색), PDMS 10:1의 FSI 데이터를 비교하여 (C) 업스트로크 및 (D) 다운스트로크에서 두 시간 단계에서의 핀 위치의 차이를 예시한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8: 핀 변형의 비교 . (A) 핀 변형에 대한 강성의 효과를 입증하기 위한 한 예의 시간-단계에서 핀 운동학을 획득하는 PLIF 방법의 비교. 보다 준수한 20:1 PDMS 핀(진한 파란색)에 대한 PLIF 측정은 더 단단한 10:1 PDMS 핀(연한 파란색)보다 더 많은 변형을 나타내며, 둘 다 경질 지느러미(검정)와 상당한 차이를 보입니다. (b) 10:1 PDMS용 PLIF, 10:1 PDMS용 FSI 및 강성 케이스로부터의 3D 재구성된 핀 형상을 일 예의 시간-단계에서 표면 핏을 비교하는 단계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: 지연 발생기를 위한 소프트웨어 인터페이스. 이 사용자 인터페이스는 두 개의 레이저 헤드와 카메라의 타이밍을 핀 트리거로 조정하여 30Hz에서 PLIF 이미지를 생성하는 설정과 함께 지연 발생기를 제어하는 소프트웨어에 대한 인터페이스입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 2: PDMS에 대한 인장 시험 결과. PDMS의 두 가지 믹스에 대한 응력-변형 곡선(20:1, 0.38MPa의 탄성 모듈러스를 갖는 보다 유연한 믹스 및 0.82MPa의 탄성 모듈러스를 갖는 보다 견고한 혼합인 10:1). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 1 : "Assembly2.stl"은 사용자 정의 핀 몰드를 3D 인쇄하는 파일 어셈블리입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl"은 서보에 부착하는 역할을 하는 핀의 딱딱한 부분인 핀 삽입물을 인쇄하는 STL 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 3 : "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl"은 플렉서블 핀을 위한 3D 프린트 몰드의 왼쪽 절반입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 4 : "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl"은 플렉서블 핀을 위한 3D 프린트 몰드의 오른쪽 절반입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 코딩 파일 5 : "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl"은 인장 시험을위한 Type IV 시편을 만드는 3D 인쇄 금형입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
평면 레이저-유도 형광은 전형적으로 유체를 염료로 시딩함으로써 수성 유동을 가시화하는데 사용되며, 이는 레이저 시트(25,26)에 노출될 때 형광을 발생시킨다. 그러나 PLIF를 사용하여 준수 재료의 변형을 시각화하는 것은 이전에 보고되지 않았으며, 이 연구는 PLIF를 사용하는 유연한 고체 핀에서 고해상도 형상 변형의 시간 이력 측정을 얻기 위한 접근법을 설명합니다. 이러한 핀 측정값을 FSI 시뮬레이션과 비교하면 수치 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 계산 결과를 사용할 때 더 많은 확신을 얻을 수 있습니다.
준수 재료에 대한 PLIF의 한계 중 변형 특성화에는 구조의 불투명 요소 (본 연구에서 최첨단 강성 스파)로 인한 폐색이 포함됩니다. 추가적으로, PLIF 기술은 PDMS-물 계면에서의 광의 국부적 입사각이 연관된 임계 값을 초과할 때 발생하는 총 내부 반사(TIR)의 영향을 받는다. 캐스트 PDMS 핀은 광학적으로 투명하지만 물 (1.33)보다 굴절률 (1.49)이 훨씬 높아 임계 각도가 63.5 °인 광학 왜곡 및 폐색을 유발합니다. 따라서, 큰 변형이 있을 때(예를 들어, 본 연구에서 핀의 말단 근처), 국소 입사각은 63.5°를 초과할 수 있다. 결과적으로, 입사 레이저 빔은 핀으로 다시 반사되어 캡처 된 이미지에 훨씬 더 큰 "형광 영역"이 생기며,이 기술로부터 감지 된 이미지 품질 및 모양에 영향을 미칩니다. 향후 연구를 위해이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 요오드화 나트륨 (NaI) 용액40과 같은 광학 지수 매칭 작동 유체를 사용하는 것입니다. 그러나 이것은 대부분의 핀 횡단면에 영향을 미치지 않기 때문에 본 연구의 범위를 벗어난 것으로 간주됩니다.
광학 지수 정합이 가능하지 않을 때, 주조 동안 형광 안료의 농도는 이러한 효과를 완화시키기 위해 조정될 수 있다. 형광 염료의 농도가 높을수록 SNR을 향상시킬 수 있지만, 너무 많은 안료가 있을 경우 핀의 곡률(deflection)이 높고, 내부 반사의 효과가 너무 강해질 수 있다. 이로 인해 해당 프로파일에 대한 이미지 팽창이 발생할 수 있습니다. 또한, 내부 반사의 영향을 최소화하기 위해 예상되는 우세한 편향(있는 경우)에 대하여 최적의 레이저 입사각을 결정하기 위해 강력한 고려가 이루어져야 한다. 예를 들어, 횡단면 프로파일은 위쪽 및 아래쪽 선에 따라 다릅니다. 후자의 경우, 빛이 핀의 LE 측을 통해 굴절됨에 따라 후속 코드 위치에서 여러 내부 반사를 거쳐 프로파일 모양이 크게 확장되었습니다. 업스트로크의 경우, 입사광이 지느러미의 딱딱하거나 유연한 부분과 두 번 이상 상호 작용하지 않아 선명한 프로파일이 생깁니다. 이 변형은 일반 프로파일 마스크가 알고리즘적으로 생성되는 것을 배제하는데, 이는 전송 및 반사의 범위가 스트로크 주기 동안에도 변하기 때문입니다. 이미지 분석에서는 이 문제를 해결하기 위해 동적 임계값을 고려하지만 횡단면 엔벨로프를 자동으로 생성하는 것은 여전히 어렵습니다.
오목한 표면은 볼록한 쪽보다 내부 반사가 발생하기 쉽습니다. 따라서 보다 정확한 중심선 프로파일을 얻기 위한 대안적인 접근법은 볼록한 표면을 반평균 핀 두께로 상쇄함으로써 탐구되었다. 그러나, 결과적인 프로파일은 최소 제곱 적합에 의해 수득된 것에 비해 유의하게 변화하지 않았다.
또한, 인장 시험 및 후속 곡선 피팅은 작은 변형(39)에 대한 선형 응력-변형 관계를 가정한다. 그러나 이 가정은 FSI 모델에 대한 입력으로 사용되는 계산된 고유 주파수에 영향을 미치는 더 큰 변형에는 유효하지 않습니다. 이러한 비선형 효과를 고려하여 보다 정확한 FSI 예측을 얻으려는 노력은 현재 범위를 벗어나는 것으로 간주되지만 향후 연구와 관련이 있습니다.
따라서이 연구는 생체 영감을받은 로봇 핀에 대한 핀 강성의 효과를 입증하고 계산 모델을 검증했습니다. 다른 PLIF 연구25에 설명 된 바와 같이 고체 변형의 이러한 측정과 유체 흐름의 동시 측정을 결합하여, 향후 연구는 다양한 파장과 여러 카메라에서 형광을 띠는 염료를 통합하여 로봇 핀, 바이오 영감을받은 소프트 로봇 및 기타 응용 분야에서 FSI의 실험 분석을 향상시킬 것입니다. 다른 연구 분야(24)에서 PDMS의 광범위한 사용으로 인해, 유연한 고체에서 변형을 시각화하는 이 PLIF 기술은 공학, 물리학, 생물학 및 의학 분야의 연구자 커뮤니티에 도움이 될 수 있는 잠재력을 갖는다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 미국 해군 연구소 (NRL) 6.2 기본 프로그램을 통해 해군 연구 사무소의 지원을 받았으며 Kaushik Sampath는 NRL의 음향 부서 직원이었고 Nicole Xu는 NRL의 전산 물리학 및 유체 역학 연구소에서 NRC Research Associateship Award를 수상했습니다. 저자는 Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.)에게 기술 지원 및 지침을 인정하고 싶습니다.
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
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