Summary
Den nåværende protokollen innebærer måling og karakterisering av 3D-formdeformasjon i undervanns flapping finner bygget med polydimetylsiloksan (PDMS) materialer. Nøyaktig rekonstruksjon av disse deformasjonene er avgjørende for å forstå fremdriftsytelsen til kompatible flapping finner.
Abstract
Propulsive mekanismer inspirert av finnene til ulike fiskearter har blitt stadig mer undersøkt, gitt deres potensial for forbedret manøvrering og stealth evner i ubemannede kjøretøy systemer. Myke materialer som brukes i membranene til disse finmekanismene har vist seg effektive til å øke trykket og effektiviteten sammenlignet med stivere strukturer, men det er viktig å måle og modellere deformasjonene i disse myke membranene nøyaktig. Denne studien presenterer en arbeidsflyt for karakterisering av den tidsavhengige formdeformasjonen av fleksible undervanns flapping finner ved hjelp av planar laserindusert fluorescens (PLIF). Pigmenterte polydimetylsiloksanfinmembraner med varierende stivhet (0,38 MPa og 0,82 MPa) er fremstilt og montert på en montering for aktivering i to frihetsgrader: tonehøyde og rull. PLIF-bilder er anskaffet på tvers av en rekke spanwise-plan, behandlet for å oppnå findeformasjonsprofiler, og kombinert for å rekonstruere tidsvarierende 3D-deformerte finformer. Dataene brukes deretter til å gi høy kvalitet validering for fluid-struktur interaksjon simuleringer og forbedre forståelsen av ytelsen til disse komplekse fremdriftssystemer.
Introduction
I naturen har mange fiskearter utviklet seg til å bruke en rekke kropps- og finbevegelser for å oppnå bevegelse. Forskning for å identifisere prinsippene for fiskelokalisering har bidratt til å drive utformingen av bioinspirerte fremdriftssystemer, ettersom biologer og ingeniører har jobbet sammen for å utvikle dyktige neste generasjons fremdrifts- og kontrollmekanismer for undervannsfarkoster. Ulike forskningsgrupper har studert finkonfigurasjoner, former, materialer, slagparametere og overflatekurvaturkontrollteknikker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Betydningen av å karakterisere tuppvirvelgenerering og våkne tilbøyelighet til å forstå trykkgenerering i en- og flerfinnesystemer er dokumentert i en rekke studier, både beregnings- og eksperimentelle 13,14,15,16,17,18. For finmekanismer laget av kompatible materialer, vist i ulike studier for å redusere våken helling og øke trykket17, er det også viktig å fange og nøyaktig modellere deres deformasjonstidshistorikk for å parre seg med strømningsstrukturanalysen. Disse resultatene kan deretter brukes til å validere beregningsmodeller, informere findesign og kontroll, og legge til rette for aktive forskningsområder i ustabil hydrodynamisk lasting på fleksible materialer, som trenger validering19. Studier har brukt direkte høyhastighets bildebasert formsporing i haifinner og andre komplekse objekter 20,21,22, men den komplekse 3D-finformen blokkerer ofte optisk tilgang, noe som gjør det vanskelig å måle. Dermed er det et presserende behov for en enkel og effektiv metode for å visualisere fleksibel finbevegelse.
Et materiale som er mye brukt i kompatible finmekanismer er polydimetylsiloksan (PDMS) på grunn av lave kostnader, brukervennlighet, evne til å variere stivhet og kompatibilitet med undervannsapplikasjoner23, som beskrevet grundig i en gjennomgang av Majidi et al.24. I tillegg til disse fordelene er PDMS også optisk gjennomsiktig, noe som bidrar til målinger ved hjelp av en optisk diagnostisk teknikk som planar laserindusert fluorescens (PLIF). Tradisjonelt innen eksperimentell fluidmekanikk25 har PLIF blitt brukt til å visualisere væskestrømmer ved å så væsken med fargestoff eller suspenderte partikler eller dra nytte av kvanteoverganger fra arter som allerede er i strømmen som fluoresce når de eksponeres for et laserark 26,27,28,29. Denne veletablerte teknikken har blitt brukt til å studere grunnleggende fluiddynamikk, forbrenning og havdynamikk 26,30,31,32,33.
I den nåværende studien brukes PLIF til å oppnå romlig løste målinger av formdeformasjon i fleksible fiskeinspirerte robotfinner. I stedet for å så væsken med fargestoff, visualiseres undervannskinematikken til en PDMS-fin ved ulike akkordvise tverrsnitt. Selv om planar laseravbildning kan utføres på vanlig støpt PDMS uten ekstra fluorescens, kan endring av PDMS for å forbedre fluorescens forbedre signal-til-støy-forholdet (SNR) til bildene ved å redusere effekten av bakgrunnselementer, for eksempel finmonteringsmaskinvaren. PDMS kan gjøres fluorescerende ved å bruke to metoder, enten ved fluorescerende partikkelsåing eller pigmentering. Det har blitt rapportert at førstnevnte for et gitt delforhold endrer stivheten til den resulterende støpte PDMS34. Derfor ble et ikke-giftig, kommersielt tilgjengelig pigment blandet med gjennomsiktig PDMS for å støpe fluorescerende finner for PLIF-forsøkene.
For å gi et eksempel på bruk av disse fin kinematikkmålingene for beregningsmodellvalidering, sammenlignes de eksperimentelle kinematikkene deretter med verdier fra finens koblede væskestrukturinteraksjonsmodeller (FSI). FSI-modellene som brukes i beregningene er basert på de første syv egenmodusene beregnet ved hjelp av de målte materialegenskapene til finnene. Vellykkede sammenligninger validerer finmodeller og gir tillit til å bruke beregningsresultatene for findesign og kontroll. Videre viser PLIF-resultatene at denne metoden kan brukes til å validere andre numeriske modeller i fremtidige studier. Tilleggsinformasjon om disse FSI-modellene finnes i tidligere arbeid35,36 og i grunnleggende tekster av beregningsvæskedynamikkmetoder37,38. Fremtidige studier kan også muliggjøre samtidige målinger av faste deformasjoner og væskestrømmer for forbedrede eksperimentelle studier av FSI i robotfinner, bioinspirerte myke roboter og andre applikasjoner. Videre, fordi PDMS og andre kompatible elastomerer er mye brukt på ulike felt, inkludert sensorer og medisinsk utstyr, kan visualisering av deformasjoner i fleksible faste stoffer ved hjelp av denne teknikken være til nytte for et større fellesskap av forskere innen ingeniørfag, fysikk, biologi og medisin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fin fabrikasjon
- Bygg en finform basert på ønsket formdesign.
- Design og bygg en tilpasset 3D-trykt glanset form av finform (figur 1). Se STL-filer for fremstilling av formen i Tilleggskodingsfiler 1-4.
- Sett strukturelle elementer inn i formen, for eksempel en 3D-trykt stiv plastkantet spar. Se STL-filen til spar i Supplementary Coding File 2.
- Bland PDMS (se Materialtabell) i ønsket delforhold.
- Velg delforholdet mellom base elastomer og herdemiddel (dvs. 10:1 eller 20:1) for å oppnå henholdsvis høyere eller nedre elastisk modulus. Vei de tilsvarende mengdene base og herder.
MERK: Både 10:1 og 20:1 (elastomer til herdemiddel) ble brukt i denne studien. - Mål det fluorescerende pigmentet (se Materialfortegnelse) slik at den totale blandingen inneholder 0,1%-1% pigment etter vekt, avhengig av ønsket lysstyrke av pigmentering. Tilsett pigmentet i PDMS-blandingen.
- Hell de målte mengdene elastomer, herder og pigment i en planetarisk sentrifugalblander (bland ved 423 x g i 30 s og av-aerating ved 465 x g i 30 s) og bland deretter.
- Velg delforholdet mellom base elastomer og herdemiddel (dvs. 10:1 eller 20:1) for å oppnå henholdsvis høyere eller nedre elastisk modulus. Vei de tilsvarende mengdene base og herder.
- Kast finen i formen.
- Degas og hell PDMS-blandingen i formen til finen. Plasser formen i ovnen ved 70 °C i 45 minutter, og la den kurere over natten ved 37 °C.
- Når herdingen er fullført, fjerner du støpefinen fra formen (figur 2).
- Utfør strekktesting etter ASTM-standarden39.
- For hver fin som er støpt i trinn 1.3., kast en Type IV-prøve ved hjelp av samme PDMS og pigmentblanding i en Type IV-formet form ved hjelp av den tidligere beskrevne trinn 1.1.-1.3.
MERK: Se STL-filene for å caste Type IV-prøven i Tilleggskodingsfil 5 (mugg vist i figur 1C), og se figur 3 for eksempler på type IV-prøvene som er testet. - Klem testprøven inn i strekkprøven (se Materialtabell). Mål den opprinnelige lengden, bredden og tykkelsen (mm) på den smale prøvedelen.
- Utsett testprøven til spenning i trinn på 5 mm, og sørg for at prøven bare forblir strukket i det elastiske området, ikke overbelastet. Reduser spenningen i trinn på 5 mm til den totale prøveforskyvningen er 0 mm (opprinnelig posisjon). Registrer lengdene (mm) og kreftene (N) på den smale delen i hvert trinn.
- For å beregne den elastiske modulen til prøven, plott spenningsbelastningskurven og bestem den beste lineære passformen og R2-verdien .
- For hver fin som er støpt i trinn 1.3., kast en Type IV-prøve ved hjelp av samme PDMS og pigmentblanding i en Type IV-formet form ved hjelp av den tidligere beskrevne trinn 1.1.-1.3.
2. Eksperimentelt oppsett og forsøk
- Monter PLIF-maskinvaren (se Materialbord) på en rektangulær vanntank i glass (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
- Monter og bruk et pulserende lasersystem (se Materialtabell) for å generere et planalt lysark som krysser tanken midt i flyet med en bestemt frekvens (30 Hz), som vist i figur 4.
- Monter og bruk et CCD-kamera (4 MP charge-coupled) utstyrt med et objektiv (35 mm) og et longpass fluorescensfilter (560 nm) (se Materialfortegnelse).
- Kalibrer mikrometer-til-piksel-konverteringen ved å ta ett enkelt bilde fra CCD-kameraet med en linjal plassert i laserarkplanet (figur 5). Velg to posisjoner på kameraet, og del avstanden i mikrometre ved å skille bildepunkter. Forsikre deg om at dette mikrometer-til-piksel-forholdet er lite nok (under millimeter) for applikasjonen.
- Synkroniser laserpulsene og kamerabildene med flappingfinen ved hjelp av utløserutganger fra finprogramvaren og signaler fra en forsinkelsesgenerator og tilhørende programvare (se Tabell over materialer) for å koordinere kameraet, laserhodene og finbevegelsen. Se Supplerende figur 1 for et eksempel på innstillingene for programvaregrensesnittet for forsinkelsesgeneratoren.
- Still inn lasersystemet.
MERK: Sørg for at alle lasersikkerhetstiltak er i samsvar med institusjonelle retningslinjer.- Slå på lasersystemet ved å dreie av/på-tasten til høyre for å kjøre kjøleren som kjøler ned laserhodene. Feillampen blinker til systemet er klart til å drive laserne. Ikke trykk på strømknappen som slår på laserne før alle lasermodusene er riktig innstilt.
- Sett utløserkilden på EXT LAMPE/EXT Q-SW (ekstern lampe/ekstern Q-bryter).
- For begge laserhodene setter du laserenergien til ønsket nivå (dvs. omtrent 60%-80% av full effekt) og sørger for at Q-bryteren slås på ved å trykke på hver Q-bryterknapp .
- Slå på laserne ved å trykke på av/på-knappen.
MERK: Siden utløserkilden er satt til EXT LAMP/EXT Q-SW, er laserhodene klare til å avfyres, men avfyres først etter at systemet mottar en ekstern utløser fra programvaren.
- Still inn kameraet.
- Koble strømkablene til kameraet og sørg for riktige tilkoblinger til datamaskinen og programvaren.
- Åpne programvaren for kamerainnstillinger og velg riktig port.
- Under Innstillinger for utløser > setter du "Trigger in:" til Ekstern og "Mode:" til Fast.
- Sett "Eksponeringskontroll" til Av under Eksponering.
- Åpne programvaren for kameraopptak og velg riktig kamerakort.
- Klikk på Grab Sequence-knappen .
- Klikk på Opptaksinnstillinger-knappen , velg TIFF-bilder, velg Serie med rammer ..., og velg ønsket filbane, 6-sifret tall, Kontinuerlig og Godta.
- Klikk på Start capture.
MERK: Ettersom kamerainnstillingene er satt til en ekstern utløser, er kameraet klart til å samle inn bilder, men tar bare disse bildene etter at systemet mottar en ekstern utløser fra programvaren.
- Still inn forsinkelsesgeneratoren.
- Slå på forsinkelsesgeneratoren, og koble den eksterne portkanalen til finutløseren, Kanal A-D til laseren (A: laserhode 1, B: Q-bryter til laser 1, C: laserhode 2 og D: Q-bryter til laser 2) og Kanal E til kameraet.
- Åpne programvaren for forsinkelsesgeneratoren.
- Velg "Pulsmodus" til Burst og "System Resolution" til 4 ns.
- Sett "Periode(r)" til 0,033333352.
- Sett "Ekstern utløser/ portmodus" til Utløst, "Terskel (V)" til 0,20 og "Trigger Edge" som stigende.
- På Kanaler > Ch A, klikker du på Aktivert-avmerkingsboksen . Sett "Forsinkelse(er)" til 0,000000004, "Bredde (er)" til 0,0050000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanalmodus" til driftssyklus, "Vent antall" til 0, "Synkroniser kilde" til T0, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til A, "Driftssyklus på" til 1, "Driftssyklus av" til 1 og "Portmodus" til Deaktivert.
- På Kanaler > Ch B klikker du på Aktivert-avmerkingsboksen . Sett "Delay(s)" til 0,000138000, "Bredde (er)" til 0,0050000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanalmodus" til driftssyklus, "Vent antall" til 0, "Synkroniser kilde" til Ch A, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til B, "Driftssyklus på" til 1, "Driftssyklus av" til 1 og "Portmodus" til Deaktivert.
- På Kanaler > Ch C klikker du på Aktivert-avmerkingsboksen . Sett "Delay(s)" til 0,033333304, "Bredde (er)" til 0,0050000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanalmodus" til driftssyklus, "Vent antall" til 0, "Synkroniser kilde" til Ch A, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til C, "Driftssyklus på" til 1, "Driftssyklus av" til 1 og "Portmodus" til Deaktivert.
- Merk av for Aktivert på Kanaler > Ch D. Sett "Forsinkelse(er)" til 0,000138000, "Bredde (er)" til 0,0050000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanalmodus" til driftssyklus, "Vent antall" til 0, "Synkroniseringskilde" til Ch C, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til D, "Driftssyklus på" til 1, "Driftssyklus av" til 1 og "Portmodus" til Deaktivert.
- På Kanaler > Ch E, klikker du på Aktivert-avmerkingsboksen . Sett "Delay (s)" til 0.0000000004, "Width (s)" til 0.0050000000, "Amplitude (V)" til 5.00, "Channel Mode" til Normal, "Wait Count" til 0, "Sync Source" til T0, "Polarity" til Normal, "Multiplexer" til E og "Gate Mode" til Deaktivert modus.
- Still inn lasersystemet.
- Juster finen slik at laserarket passerer gjennom en akkordvis del av finen i en valgt spanloksposisjon og fest finplattformen med monteringsmaskinvaren.
- Koble strømmen til finkontrollmaskinvaren og finmotorene (se Materialtabell) for å begynne å flappe med de valgte kinematikkene, og slå av alle omgivelseslys.
- Trykk Kjør i forsinkelsesgeneratorprogramvaren for å starte de synkroniserte eksperimentene og skaffe bilder av skjæringspunktet mellom laserarket og finen gjennom hele slagsyklusen. Dette må utføres over 200+ slagsykluser.
- Trykk stopp i forsinkelsesgeneratorprogramvaren og koble finnen fra strømkilden.
- Flytt finplattformen slik at laserarket krysser i en ny spanwise posisjon og utfør eksperimenter for å skaffe bildene igjen. Gjenta trinn 2.3.-2.6. for antall ønskede mål (åtte forskjellige spanloksposisjoner, som vist av de svarte stiplede linjene i figur 2A).
- Bytt ut finen med ekstra ønskede finmembraner (to finstivheter, PDMS 10:1 og PDMS 20:1) og gjenta forsøkene.
3. Bildeanalyse
- For hver eksperimentelle studie som ble utført i trinn 2.4., finner du filen der bildene er lagret, og oppretter en undermappe for hver finposisjon eller fase gjennom hele slagsyklusen. Sorter bildefilene i de tilsvarende undermappene.
- For hver finfaseundermappe leser du de over 200 bildene som matriser med pikselverdi (imread.m). Summer matrisene for bildepunktverdi for alle bildene, og del på antall bilder for å generere et gjennomsnittsbilde. Skriv bildet til en ny fil (imwrite.m). Gjenta dette trinnet for hver finposisjon gjennom hele slagsyklusen (30 posisjoner).
- Utfør en histogramforbedring på hvert gjennomsnittsbilde (imadjust.m) for å utvide det dynamiske intensitetsområdet for bildene til det fullstendig tilgjengelige området for å forbedre kontrasten mellom finnen og bakgrunnen.
- Angi intensitetsterskler og binariser hvert bilde for å få et svart-hvitt-bilde (imbinarize.m). De resulterende hvite formene skal svare til deler av fin-tverrsnittet.
- Trekk ut alle hvite objekter (finstykker) fra det binære bildet (bwareafilt.m), og vis bildet (imshow.m). Opprett et spor av den binære bildegrensen for hvert bilde for å få en 2D-figur ved å merke alle finskpunktene (hvite) som berører bakgrunnsbildepunktene (svarte) (bwboundaries.m).
MERK: På grunn av pålagt finkinematikk kan synet på PLIF-målt tverrsnitt i noen rammer okkluderes av en annen del av finen. I slike tilfeller er det enten ingen sammenhengende finform som fremgår av bildene, eller bare forkanten (LE) forblir synlig (figur 6). - Utfør trinn 3.1.-3.5. for hvert fin tverrsnitt.
4. Rekonstruksjon av 3D-avbøyning
- Forutsatt at LE-posisjonen (minst nærmere slagaksen) i de fleksible tilfellene er den samme som le i en stiv fin av samme form, linje flyet kutter langs le for samme tidstrinn, og sammenlign med resultatene fra den tilsvarende stive finformen.
- Bruk minst kvadraters passform for å tilnærme den resulterende midtlinjeformen på fin-tverrsnittet for alle plankutt og rekonstruere 3D-finformen ved hjelp av et forenklet konveksskrog fra disse monterte profilene.
- Sammenlign de resulterende finfigurene med 3D FSI-modeller (generert fra midtlinjene) for å vise hvordan denne prosessen kan brukes som godkjenning av gjengivelse.
- Generer en overflatetriangulering av den delvis stive nylon og delvis fleksible PDMS-finen.
- Bruk en kommersiell konstruksjonsdynamikkprogramvare (se Materialfortegnelse) for å få tak i hybridmaterialets egenutviklede egenskaper.
- Utfør skaleringsstudier for å matche steady-state-forskyvningen som oppnås ved hjelp av ensartet trykkforskjell på finoverflatene.
- Skaler modusene slik at de samsvarer med forskyvningen fra programvaren.
- Med riktig skalafaktor, bruk de første dominerende modusene (vanligvis 7 eller 8) som brukes i den koblede FSI-problemløseren for å simulere den ustabile strømmen over den fleksible finen.
- Behandle brødteksten som en innebygd enhet i et bakgrunnsnett.
MERK: Den koblede problemløseren ble validert for Turek-Hron-problemet med strømning over en sirkulær sylinder med et fleksibelt stikk på baksiden35 og utvidet for flapping fin simuleringer36. - Foreskrive kinematikken til finbevegelsen fra forsøkene.
- Overvåk tidshistorikken til kraftproduksjonen og formen på finen langs flere plankutt gjennom hele flappingssyklusen, og sammenlign med eksperimenter.
- Behandle brødteksten som en innebygd enhet i et bakgrunnsnett.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En trapesformet fiskeinspirert kunstig brystfinne ble støpt i to forskjellige materialer (PDMS 10:1 og 20:1, begge blandet med fluorescerende fargestoff) ut av en form, hver med en stiv forkant spar satt inn i ledende kvartal akkord (figur 2 og figur 3). Strekktesting av de to finmaterialene (figur 3) ga elastisk moduli på henholdsvis 0,38 MPa og 0,82 MPa for PDMS 20:1 og PDMS 10:1 finner, med henholdsvis R2 på 0,99 for begge målingene (se Tilleggs figur 2 for tilsvarende spenningsbelastningskurver).
For å fange bevegelsen til finnen ble kameraet plassert slik at mikrometer-til-piksel-forholdet i det fokuserte synsfeltet var 125 μm / piksel. En forsinkelsesgenerator ble kablet og programmert til å utløse laseren og kameraet med 30 like avstandsintervaller per finslag basert på et enkelt utløsersignal midt i hvert finslag. Finen ble plassert slik at laserarket passerte gjennom en akkordvis del av finen. Dette ble gjort i åtte spanloksposisjoner fra 1,876 cm til 13,132 cm fra roten til fingeometrien (figur 2).
For hvert tverrsnitt ble det oppnådd 200+ bilder for hver av 30 strekposisjoner (faser). Den programmerte kinematikken ga en slagamplitude på ±43° og en tonehøydeamplitude på ±17° (figur 7A, B). På grunn av den ugjennomsiktige stive spar var fin-tverrsnittet ikke synlig på hvert trinn (figur 6), men disse okklusjonene var sparsomme og påvirket ikke de samlede 3D-rekonstruksjonene. Etter bildesortering, gjennomsnitt, terskelverdi, binarisering og sporing ble det konstruert en 3D-representasjon. Denne 3D-rekonstruksjonen ble sammenlignet med resultatene av FSI-modellen og strukturen til en stiv finmodell. LE-posisjonen i de fleksible tilfellene ble antatt å være den samme som le i den stive finen for samme form. Den betydelige reduksjonen i den generelle stivheten som gikk fra den stive til den myke finen resulterte imidlertid i spanwise lasting, og la til en ikke-ubetydelig avbøyning sammen med LE for dagens design.
Figur 7C,D illustrerer disse sammenligningene ved to posisjoner i strøket, en midt i oppslaget (t = 0 s) og en midt i downstroke (t = 0,567 s). Figuren demonstrerer den akkordvise krumningen indusert av væsketrykk på PDMS 10:1-finen, noe som fører til en gjennomsnittlig normalisert akkordforskyvning av den etterfølgende kanten ved den lengste akkorddelen av forskyvning/akkord (d/c) = 0,36 i midten av oppslaget og d/c = 0,33 i midtre downstroke, målt i forsøkene. Dette sammenlikner med d/c = 0,44 i middels oppsvømming og d/c = 0,39 i midtre downstroke fra CFD-simuleringene med FSI-modellen. Resultatene viser også en viss avbøyning langs forkanten i forsøkene, som ikke var modellert for simuleringene.
Ytterligere sammenligninger ble gjort mellom formdeformasjonene til PDMS 10:1- og PDMS 20:1-finnene (figur 8A). Midt i upstroke (t = 0 s,) ble den etterfølgende kantforskyvningen ved den lengste akkorddelen målt som d/c = 0,36 for PDMS 10:1 fin og d/c = 0,51 for PDMS 20:1. Til slutt viser figur 8B de rekonstruerte 3D-finformene fra PLIF, FSI og stive tilfeller i midt-upstroke (t = 0,567s). Dette demonstrerer evnen til den nåværende teknikken for å gi godkjenning av høy kvalitet for FSI-simuleringer.
I tillegg til målinger av deformasjonstidshistorikken, som beskrevet tidligere, gir direkte målinger av trykk og mekanisk kraft verdifulle data for å analysere finfremdrift. For kinematikken som ble presentert, produserte PDMS 10:1-finen et slaggjennomsnittet trykk på Fx = 0,51 N, målt med en strekkmålerlastcelle, og en gjennomsnittlig total effekt på Pm = 2,38 W, målt med strøm- og spenningssensorer. Trykkkraft og hydrodynamisk kraft beregnet fra CFD-simuleringen for PDMS 10:1-feltet ga Fx = 0,50 N og Ph = 0,49 W. PDMS 20:1-finen produserte et eksperimentelt målt slag med gjennomsnittlig trykk på Fx = 0,48 N og en gjennomsnittlig effekt på Pm = 2,30 W. Den hydrodynamiske kraften utgjorde om lag 20% av den totale kraften, mens mekaniske tap i motoren var en større bidragsyter til strømforbruket. Forskjellene i hydrodynamisk kraft og effektivitet kunne derfor ha variert betydelig mellom finner av ulike materialegenskaper, men den totale kraften forble relativt konsistent.
Figur 1: Tilpassede plastformer for å støpe finnene (A og B) og strekkprøveprøver (C). Formene og stive spar for finnene ble 3D trykt i stiv plast (svart og grått), og finnene og strekkprøvene ble støpt fra PDMS blandet med et fluorescerende fargestoff (rosa). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Bioinspirert finplanformgeometri som brukes i eksperimenter. (A) CAD-modellen som illustrerer den stive spar (grå) og PDMS-finen (blå), med stiplede svarte linjer som indikerer de akkordvise tverrsnittene som brukes i planar laserindusert fluorescens (PLIF) eksperimenter. (B) Fluorescerende PDMS-fin (rosa) med en stiv plastspurt (hvit). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Eksempel på en ferdig fin og strekkprøveprøver. Muggstøpt PDMS-fin med en svart stiv spar (venstre) og tre eksempler på Type IV-prøver (høyre) for strekktesting for å oppnå materialegenskapene til hver batch fluorescerende PDMS. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Eksperimentelt oppsett. (A) 3D CAD-visning av det eksperimentelle oppsettet med laser og optikk, grønt laserark, tank, fin montert på en plattform og kamera. (B) Et eksempelbilde som viser de monterte finnene i tanken, med laseren slått på og et kamera synlig helt til høyre. Selv om to finner er vist i dette tandemfinoppsettet, som kan oppnå kinematikk for fremtidige studier av finfinneinteraksjoner, ble PLIF-målinger registrert for bare frontfinnen i denne studien. Videre inneholder bildet omgivelseslys for å visualisere oppsettet, men omgivelseslysene ble slått av under alle eksperimenter for å forbedre signal-til-støy-forholdet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Kalibreringsbilde. Før forsøkene ble kjørt, ble kalibreringsbilder oppnådd ved hjelp av en standard linjal for å måle mikrometer-til-piksel-forholdet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Finbilder av tre tidstrinn lagt over, med et representativt eksempel på fin okklusjon på en gang. Fin-tverrsnittet er synlig i trinn 1 og 3, mens den ugjennomsiktige stive spar okkluderer finen ved trinn 2, hvor et estimat av finposisjonen er trukket i gult. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Fin kinematikk. (A) Slagamplituden (±43°) og (B) pitch amplitude (±17°) av finkinematikken over tid. En sammenligning av PDMS 10:1 fin (lyseblå), FSI-data fra PDMS 10:1 fin (rød) og stiv fin (svart) for å illustrere forskjellen i finposisjoner ved to tidstrinn i (C) oppsvømming og (D) downstroke. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Sammenligning av findeformasjon. (A) En sammenligning av PLIF-metoden for å skaffe finkinematikk ved ett eksempel på tidstrinn for å demonstrere effekten av stivhet på findeformasjon. PLIF-målingen for den mer kompatible 20:1 PDMS-finen (mørk blå) viser mer deformasjon enn den stivere 10:1 PDMS-finen (lyseblå), og begge viser betydelige forskjeller fra en stiv fin (svart). (B) 3D-rekonstruerte finformer fra PLIF for 10:1 PDMS, FSI for 10:1 PDMS og stive tilfeller på ett eksempel for å sammenligne overflatetilpasene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Supplerende figur 1: Programvaregrensesnitt for forsinkelsesgeneratoren. Brukergrensesnittene for programvare for å kontrollere forsinkelsesgeneratoren, med innstillinger for å produsere PLIF-bilder på 30 Hz ved å koordinere tidspunktet for de to laserhodene og kameraet med finutløseren. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 2: Strekktestresultater for PDMS. Spennings-strekk kurver for to blandinger av PDMS (20:1, en mer fleksibel blanding med en elastisk modulus på 0,38 MPa, og 10:1, en mer stiv blanding med en elastisk modulus på 0,82 MPa). Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 1: "Assembly2.stl" er en samling av filer til 3D-print de tilpassede finformene. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" er STL-filen for å skrive ut fininnsatsen, en stiv del av finen som fungerer som vedlegg til servoen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" er venstre halvdel av 3D-print mold for den fleksible finen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" er den høyre halvdelen av 3D-utskriftsformen for den fleksible finen . Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" er 3D-printformen for å lage Type IV-prøver for strekktesting. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Planar laserindusert fluorescens brukes vanligvis til å visualisere vandige strømmer ved å så væsken med fargestoff, som fluoresces når den utsettes for et laserark25,26. Imidlertid er det ikke tidligere rapportert å bruke PLIF til å visualisere deformasjoner i kompatible materialer, og denne studien beskriver en tilnærming for å oppnå tidshistorikkmålinger av høyoppløselig formdeformasjon i fleksible faste finner ved hjelp av PLIF. Sammenligning av disse finmålingene med FSI-simuleringer validerer numeriske modeller og gir ytterligere tillit til å bruke beregningsresultater for findesign og kontroll.
Blant begrensningene til PLIF for kompatible materialer inkluderer deformasjonskarakterisering okklusjon på grunn av ugjennomsiktige elementer i strukturen (den ledende stive spar i denne studien). I tillegg påvirkes PLIF-teknikken av total intern refleksjon (TIR), som oppstår når den lokale forekomstvinkelen til lyset ved PDMS-vanngrensesnittet overskrider den tilknyttede kritiske verdien. Selv om de støpte PDMS-finnene er optisk gjennomsiktige, har de en mye høyere brytningsindeks (1,49) enn vann (1,33), noe som fører til optisk forvrengning og okklusjon med en kritisk vinkel på 63,5°. Derfor, når det er en stor deformasjon (f.eks. nær endene av finnene i den nåværende studien), kan den lokale forekomstvinkelen overstige 63,5°. Følgelig reflekteres hendelseslaserstrålen tilbake i finen, noe som resulterer i et mye større "fluorescerende område" på det fangede bildet, noe som påvirker bildekvaliteten og formene som oppdages fra denne teknikken. En metode for å løse dette problemet for fremtidige studier er å bruke en optisk indekstilpasset arbeidsfluid, for eksempel natriumjodid (NaI) løsning40. Dette anses imidlertid som utenfor omfanget for den nåværende studien, da dette problemet ikke påvirker de fleste fin tverrsnitt.
Når optisk indeksmatching ikke er mulig, kan konsentrasjonen av fluorescerende pigment under støping justeres for å redusere denne effekten. Høyere konsentrasjoner av fluorescerende fargestoff kan forbedre SNR, men hvis det er for mye pigment og krumningen (avbøyningen) av finen er høy, kan effekten av den indre refleksjonen være for sterk. Dette kan føre til bildeutvidelse for disse profilene. I tillegg bør det tas sterke hensyn for å bestemme den optimale laserforekomstvinkelen med hensyn til forventet dominerende avbøyning (hvis noen) for å minimere effekten av interne refleksjoner. For å illustrere, varierer tverrsnittsprofilene for opp- og nedstrøkene. I sistnevnte, da lyset brøt gjennom LE-siden av finen, gjennomgikk det flere interne refleksjoner på etterfølgende akkordvise steder, noe som gjorde profilformen betydelig utvidet. For upstroke samhandlet hendelseslyset ikke med de stive eller fleksible delene av finnene mer enn en gang, noe som resulterte i en skarp profil. Denne variasjonen hindrer en generell profilmaske i å bli algoritmisk generert, da omfanget av overføring og refleksjon også varierer i løpet av slagsyklusen. Selv om bildeanalysen vurderer en dynamisk terskel for å løse dette, er det fortsatt utfordrende å generere en tverrsnittskonvolutt automatisk.
Den konkave overflaten er mer utsatt for indre refleksjoner enn den konvekse siden. Derfor ble en alternativ tilnærming for å oppnå en mer nøyaktig midtlinjeprofil utforsket ved å motvirke den konvekse overflaten med halvgjennomsnittet fintykkelse. Den resulterende profilen var imidlertid ikke signifikant forskjellig sammenlignet med den som oppnås ved minst firkantet passform.
Videre forutsetter strekktesting og påfølgende kurvetilpasning et lineært stressstammeforhold for små stammer39. Denne antagelsen er imidlertid ikke gyldig for større deformasjoner, noe som påvirker de beregnede egenfrekvensene som brukes som inndata til FSI-modellen. Arbeidet med å oppnå en mer nøyaktig FSI-prediksjon ved å ta høyde for slike ikke-lineære effekter anses ut fra dagens omfang, men relevant for fremtidige studier.
Dermed har denne studien vist effekten av finstivhet på bioinspirerte robotfinner og validert beregningsmodellene. Ved å kombinere disse målingene av faste deformasjoner med samtidig måling av væskestrømmer som beskrevet i andre PLIF-studier25, vil fremtidige studier forbedre den eksperimentelle analysen av FSI i robotfinner, bioinspirerte myke roboter og andre applikasjoner ved å integrere fargestoffer som fluoresce ved ulike bølgelengder og flere kameraer. På grunn av den brede bruken av PDMS på andre forskningsfelt24, har denne PLIF-teknikken for visualisering av deformasjoner i fleksible faste stoffer potensial til fordel for forskere innen ingeniørfag, fysikk, biologi og medisin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne forskningen ble støttet av Office of Naval Research gjennom et amerikansk marineforskningslaboratorium (NRL) 6.2 baseprogram og utført mens Kaushik Sampath var ansatt i Akustikkavdelingen ved NRL og Nicole Xu holdt en NRC Research Associateship award i Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics ved NRL. Forfatterne ønsker å anerkjenne Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) for teknisk støtte og veiledning.
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).
