Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Моделирование деформации мягких плавников с использованием планарной лазерно-индуцированной флуоресцентной визуализации

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

Настоящий протокол включает измерение и характеристику деформации 3D-формы в подводных развевающихся плавниках, построенных из материалов полидиметилсилоксана (PDMS). Точная реконструкция этих деформаций имеет важное значение для понимания двигательных характеристик совместимых развевающихся ребер.

Abstract

Двигательные механизмы, вдохновленные плавниками различных видов рыб, все чаще исследуются, учитывая их потенциал для улучшения маневрирования и скрытности в системах беспилотных транспортных средств. Мягкие материалы, используемые в мембранах этих ребристых механизмов, доказали свою эффективность при увеличении тяги и эффективности по сравнению с более жесткими структурами, но важно точно измерять и моделировать деформации в этих мягких мембранах. В данном исследовании представлен рабочий процесс для характеристики зависящей от времени деформации формы гибких подводных плетеных плавников с использованием плоской лазерно-индуцированной флуоресценции (PLIF). Пигментированные полидиметилсилоксановые плавниковые мембраны с различной жесткостью (0,38 МПа и 0,82 МПа) изготавливаются и монтируются на узел для приведения в действие в двух степенях свободы: тангаже и крене. Изображения PLIF получаются в различных пролетных плоскостях, обрабатываются для получения профилей деформации плавников и объединяются для реконструкции изменяющихся во времени 3D-деформированных форм плавников. Затем данные используются для обеспечения высокоточной проверки для моделирования взаимодействия жидкости и структуры и улучшения понимания производительности этих сложных двигательных установок.

Introduction

В природе многие виды рыб эволюционировали, чтобы использовать различные движения тела и плавников для достижения передвижения. Исследования по выявлению принципов передвижения рыбы помогли привести к разработке биоинспирированных двигательных установок, поскольку биологи и инженеры работали вместе над разработкой способных двигательных и управляющих механизмов следующего поколения для подводных аппаратов. Различные исследовательские группы изучили конфигурации плавников, формы, материалы, параметры хода и методы контроля кривизны поверхности 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Важность характеристики генерации вихрей наконечника и наклона следа для понимания генерации тяги в одно- и многоорниковых системах была задокументирована в многочисленных исследованиях, как вычислительных, так и экспериментальных 13,14,15,16,17,18. Для ребристых механизмов, изготовленных из соответствующих материалов, показанных в различных исследованиях для уменьшения наклона следа и увеличения тяги17, также важно захватывать и точно моделировать их временную историю деформации в сочетании с анализом структуры потока. Эти результаты затем могут быть использованы для проверки вычислительных моделей, информирования о проектировании и управлении плавниками и облегчения активных исследований областей в нестационарной гидродинамической нагрузке на гибкие материалы, которые нуждаются в валидации19. В исследованиях использовалось прямое высокоскоростное отслеживание формы на основе изображений в акульих плавниках и других сложных объектах 20,21,22, но сложная 3D-форма плавника часто блокирует оптический доступ, что затрудняет его измерение. Таким образом, существует острая потребность в простом и эффективном методе визуализации гибкого движения плавника.

Материалом, широко используемым в совместимых ребристых механизмах, является полидиметилсилоксан (PDMS) из-за его низкой стоимости, простоты использования, способности изменять жесткость и совместимости с подводными приложениями23, как подробно описано в обзоре Majidi et al.24. В дополнение к этим преимуществам, PDMS также оптически прозрачна, что способствует измерениям с использованием оптического диагностического метода, такого как планарная лазерно-индуцированная флуоресценция (PLIF). Традиционно в экспериментальной механике жидкости25 PLIF использовался для визуализации потоков жидкости путем засева жидкости красителем или взвешенными частицами или использования квантовых переходов от видов, уже находящихся в потоке, которые флуоресцируют при воздействии лазерного листа 26,27,28,29. Этот хорошо зарекомендовавший себя метод был использован для изучения фундаментальной гидродинамики, горения и динамики океана 26,30,31,32,33.

В настоящем исследовании PLIF используется для получения пространственно-временных измерений деформации формы в гибких роботизированных плавниках, вдохновленных рыбами. Вместо того, чтобы засеивать жидкость красителем, подводная кинематика плавника PDMS визуализируется на различных хордовых поперечных сечениях. Хотя планарная лазерная визуализация может быть выполнена на обычной литой PDMS без дополнительной флуоресценции, модификация PDMS для усиления флуоресценции может улучшить отношение сигнал/шум (SNR) изображений за счет уменьшения воздействия фоновых элементов, таких как оборудование для крепления ребра. PDMS может быть сделан флуоресцентным с использованием двух методов, либо путем флуоресцентного посева частиц, либо путем пигментации. Сообщалось, что для данного соотношения частей первое изменяет жесткость результирующей литой PDMS34. Поэтому нетоксичный, коммерчески доступный пигмент смешивали с прозрачной PDMS для литья флуоресцентных плавников для экспериментов PLIF.

Чтобы привести пример использования этих измерений кинематики плавников для валидации вычислительной модели, экспериментальная кинематика затем сравнивается со значениями из моделей взаимодействия связанной жидкости и структуры (FSI) плавника. Модели FSI, используемые в вычислениях, основаны на первых семи собственных модах, вычисленных с использованием измеренных свойств материала для ребер. Успешные сравнения подтверждают модели плавников и обеспечивают уверенность в использовании вычислительных результатов для проектирования и управления плавниками. Кроме того, результаты PLIF демонстрируют, что этот метод может быть использован для проверки других численных моделей в будущих исследованиях. Дополнительную информацию об этих моделях FSI можно найти в предшествующей работе 35,36 и в фундаментальных текстах методов вычислительной гидродинамики37,38. Будущие исследования также могут позволить одновременные измерения твердых деформаций и потоков жидкости для улучшенных экспериментальных исследований FSI в роботизированных плавниках, биоинспирированных мягких роботах и других приложениях. Кроме того, поскольку PDMS и другие совместимые эластомеры широко используются в различных областях, включая датчики и медицинские устройства, визуализация деформаций в гибких твердых телах с использованием этого метода может принести пользу более широкому сообществу исследователей в области инженерии, физики, биологии и медицины.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Изготовление плавников

  1. Постройте форму для плавников на основе желаемой формы конструкции.
    1. Спроектируйте и постройте на заказ 3D-печатную глянцевую готовую форму в форме плавника (рисунок 1). См. файлы STL для изготовления пресс-формы в дополнительных файлах кодирования 1-4.
    2. Вставьте в форму структурные элементы, такие как 3D-печатный жесткий пластиковый передний лонжерон. См. STL-файл spar в дополнительном файле кодирования 2.
  2. Смешайте PDMS (см. Таблицу материалов) в требуемом соотношении деталей.
    1. Выберите соотношение частей базового эластомера к отверждающему агенту (т.е. 10:1 или 20:1) для достижения более высокого или более низкого модуля упругости соответственно. Взвесьте соответствующее количество основания и отвердителя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании использовались как 10:1, так и 20:1 (эластомер для отверждающего агента).
    2. Измерьте флуоресцентный пигмент (см. Таблицу материалов) таким образом, чтобы общая смесь содержала 0,1%-1% пигмента по массе, в зависимости от желаемой яркости пигментации. Добавьте пигмент в смесь PDMS.
    3. Вылейте измеренные количества эластомера, отвердителя и пигмента в планетарный центробежный смеситель (смешивая при 423 х г в течение 30 с и деаэрируя при 465 х г в течение 30 с) и смешивайте соответствующим образом.
  3. Отлить плавник в форму.
    1. Дегаз и вылейте смесь PDMS в форму для плавника. Поместите форму в духовку при температуре 70 °C на 45 минут и дайте ей затвердеть на ночь при 37 °C.
    2. После завершения отверждения извлеките литой плавник из формы (рисунок 2).
  4. Выполните испытания на растяжение в соответствии со стандартом ASTM39.
    1. Для каждого плавника, отлитого на этапе 1.3, отлит один образец типа IV с использованием той же смеси PDMS и пигмента в форме формы типа IV с использованием ранее описанных этапов 1.1.-1.3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: См. файлы STL для отливки образца типа IV в дополнительном кодовом файле 5 (форма показана на рисунке 1C) и см. Рисунок 3 для примеров протестированных образцов типа IV.
    2. Зажмите испытательный образец в машине для испытания на растяжение (см. Таблицу материалов). Измерьте начальную длину, ширину и толщину (мм) узкого сечения образца.
    3. Подвергайте испытуемый образец натяжению с шагом 5 мм, гарантируя, что образец остается растянутым только в упругой области, а не перерастянутым. Уменьшайте натяжение с шагом 5 мм до тех пор, пока общее смещение образца не составит 0 мм (исходное положение). Записывайте длины (мм) и силы (N) узкого сечения при каждом шаге.
    4. Чтобы рассчитать модуль упругости образца, постройте кривую напряжения-деформации и определите наилучшее линейное соответствие и значениеR2 .

2. Экспериментальная установка и испытания

  1. Установите фурнитуру PLIF (см. Таблицу материалов) на прямоугольный стеклянный резервуар для воды (2,41 м x 0,76 м x 0,76 м).
    1. Установите и используйте импульсную лазерную систему (см. Таблицу материалов) для создания плоского светового листа, пересекающего резервуар в его средней плоскости на заданной частоте (30 Гц), как показано на рисунке 4.
    2. Установите и используйте 4-мегапиксельную камеру с зарядовой связью (ПЗС), оснащенную объективом (35 мм) и длиннополосным флуоресцентным фильтром (560 нм) (см. Таблицу материалов).
    3. Откалибруйте преобразование микрометра в пиксель, взяв одно изображение с ПЗС-камеры с линейкой, помещенной в плоскость лазерного листа (рисунок 5). Выберите два положения на камере и разделите расстояние в микрометрах, разделив пиксели. Убедитесь, что это соотношение микрометра к пикселю достаточно мало (субмиллиметр) для применения.
  2. Синхронизация лазерных импульсов и изображений камеры с хлопающим плавником с помощью триггерных выходов от программного обеспечения плавника и сигналов от генератора задержки и связанного с ним программного обеспечения (см. Таблица материалов) для координации камеры, лазерных головок и движения плавников. Видеть Дополнительный рисунок 1 для примера настроек программного интерфейса генератора задержки.
    1. Установите лазерную систему.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что все меры безопасности лазера соответствуют институциональным руководящим принципам.
      1. Включите лазерную систему, повернув клавишу питания вправо, чтобы запустить чиллер, который охлаждает лазерные головки. Индикатор неисправности мигает до тех пор, пока система не будет готова к питанию лазеров. Не нажимайте кнопку питания, которая включает лазеры, пока все режимы лазера не будут установлены правильно.
      2. Установите для источника триггера значение EXT LAMP/EXT Q-SW (внешняя лампа/внешний Q-переключатель).
      3. Для обеих лазерных головок установите энергию лазера на желаемый уровень (т.е. примерно 60%-80% от полной мощности) и убедитесь, что Q-переключатель включен нажатием каждой кнопки Q-переключателя .
      4. Включите лазеры, нажав кнопку питания.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку источник триггера настроен на EXT LAMP / EXT Q-SW, лазерные головки готовы к срабатыванию, но срабатывают только после того, как система получит внешний триггер от программного обеспечения.
    2. Установите камеру.
      1. Подключите кабели питания к фотокамере и обеспечьте правильное подключение к компьютеру и программному обеспечению.
      2. Откройте программное обеспечение настроек камеры и выберите правильный порт.
        1. В разделе Триггер > настройки установите для параметра "Триггер в:" значение Внешний , а в "Режим:" - Быстро.
        2. В разделе Экспозиция установите для параметра "Управление экспозицией" значение Выкл.
      3. Откройте программное обеспечение для захвата камеры и выберите подходящую карту камеры.
        1. Нажмите на кнопку «Захват последовательности ».
        2. Нажмите кнопку «Настройки захвата», выберите изображения TIFF, выберите «Серия кадров...», а затем выберите нужный путь к файлу, 6-значный номер, «Непрерывный» и «Принять».
        3. Нажмите кнопку Начать захват.
          ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку настройки камеры установлены на внешний триггер, камера готова к сбору изображений, но захватывает эти изображения только после того, как система получает внешний триггер от программного обеспечения.
    3. Установите генератор задержки.
      1. Включите генератор задержки и подключите канал внешнего затвора к триггеру плавника, каналы A-D к лазеру (A: лазерная головка 1, B: Q-переключатель на лазер 1, C: лазерная головка 2 и D: Q-переключатель на лазер 2) и канал E к камере.
      2. Откройте программное обеспечение генератора задержки.
      3. Выберите «Импульсный режим» для Burst и «Разрешение системы» до 4 нс.
      4. Установите для параметра "Период (ы)" значение 0,033333352.
      5. Установите для параметра «Режим внешнего триггера/затвора» значение «Триггер», для параметра «Порог (V)» значение 0,20 и для параметра «Край триггера» значение «Повышение».
      6. В разделе Каналы > Ch A установите флажок Включено . Установите для параметров «Задержка (с)» значение 0,000000004, «Ширина (s)» — 0,005000000, «Амплитуда (V)» — 5,00, «Режим канала» — рабочий цикл, «Количество ожиданий» — 0, «Источник синхронизации» — T0, «Полярность» — «Нормальный», «Мультиплексор» — A, « Рабочий цикл включен» — 1, «Выключенный рабочий цикл» — 1 и «Режим затвора» — значение Отключено.
      7. В разделе Каналы > Ch B установите флажок Включено . Установите для параметров "Задержка (с)" значение 0,000138000, "Ширина (с)" - 0,005000000, "Амплитуда (V)" - 5,00, "Режим канала" - рабочий цикл, "Количество ожиданий" - 0, "Источник синхронизации" - Ch A, "Полярность" - Нормальный, "Мультиплексор" - B, "Duty Cycle On" - 1, "Duty Cycle Off" - 1 и "Режим затвора" - Значение Отключено.
      8. В разделе Каналы > Ch C установите флажок Включено . Установите для параметров «Задержка (с)» значение 0,033333304, «Ширина (с)» — 0,005000000, «Амплитуда (V)» — 5,00, «Режим канала» — рабочий цикл, «Количество ожиданий» — 0, «Источник синхронизации» — ch A, «Полярность» — «Нормальный», «Мультиплексор» — C, «Рабочий цикл включен» — 1, «Выключенный рабочий цикл» — 1 и «Режим затвора» — значение Отключено.
      9. В разделе Каналы > Ch D установите флажок Включено . Установите для параметров "Задержка (с)" значение 0,000138000, "Ширина (с)" - 0,005000000, "Амплитуда (V)" - 5,00, "Режим канала" - рабочий цикл,0, "Количество ожиданий" - 0, "Источник синхронизации" - Ch C, "Полярность" - Нормальный, "Мультиплексор" - D, "Рабочий цикл включен" - 1, "Режим выключения рабочего цикла" - 1 и "Режим затвора" - Значение Отключено.
      10. В разделе Каналы > Ch E установите флажок Включено . Установите для параметров "Задержка (s)" значение 0,000000004, "Ширина (s)" - 0,005000000, "Амплитуда (V)" - 5,00, "Режим канала" - Нормальный, "Количество ожиданий" - 0, "Источник синхронизации" - T0, "Полярность" - Нормальный, "Мультиплексор" - E и "Режим затвора" - Значение отключено.
  3. Выровняйте ребро таким образом, чтобы лазерный лист проходил через одну хордовую секцию плавника в выбранном положении, и закрепите платформу ребра монтажным оборудованием.
  4. Подключите питание к оборудованию управления плавниками и ребристым двигателям (см. Таблицу материалов), чтобы начать взмахи плавника с выбранной кинематикой, и выключите все окружающие огни.
  5. Нажмите Выполнить в программном обеспечении генератора задержки, чтобы начать синхронизированные эксперименты и получить изображения пересечения лазерного листа с плавником на протяжении всего цикла хода. Это должно быть проведено более 200 циклов инсульта.
  6. Нажмите Stop в программном обеспечении генератора задержки и отсоедините ребро от источника питания.
  7. Переместите платформу плавника так, чтобы лазерный лист пересекался в новом положении, и выполните эксперименты, чтобы снова получить изображения. Повторите шаги 2.3.-2.6. для числа желаемых измерений (восемь различных положений в диапазоне, как показано черными пунктирными линиями на рисунке 2A).
  8. Замените плавник дополнительными желаемыми плавниковыми мембранами (две жесткости плавников, PDMS 10:1 и PDMS 20:1) и повторите эксперименты.

3. Анализ изображений

  1. Для каждого экспериментального испытания, проведенного на шаге 2.4., найдите файл, в котором хранятся изображения, и создайте подпапку для каждого положения плавника или фазы на протяжении всего цикла штриха. Отсортируйте файлы изображений по соответствующим вложенным папкам.
  2. Для каждой подпапки фазы плавника прочитайте более 200 изображений как массивы значений пикселей (imread.m). Суммируйте массивы значений пикселей для всех изображений и разделите на количество изображений, чтобы создать среднее изображение. Запишите изображение в новый файл (imwrite.m). Повторите этот шаг для каждого положения плавника на протяжении всего цикла хода (30 положений).
  3. Выполните улучшение гистограммы на каждом среднем изображении (imadjust.m), чтобы расширить диапазон динамической интенсивности изображений до полного доступного диапазона для улучшения контраста между плавником и фоном.
  4. Установите пороговые значения интенсивности и бинаризируйте каждое изображение, чтобы получить черно-белое изображение (imbinarize.m). Полученные белые формы должны соответствовать кускам поперечного сечения плавника.
  5. Извлеките все белые объекты (кусочки плавников) из двоичного изображения (bwareafilt.m) и отобразите изображение (imshow.m). Создайте трассировку границы двоичного изображения для каждого изображения, чтобы получить 2D-фигуру, выбрав все плавниковые (белые) пиксели, которые касаются фоновых (черных) пикселей (bwboundaries.m).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за наложенной кинематики плавника вид измеренного поперечного сечения PLIF в некоторых кадрах может быть закрыт другой частью плавника. В таких случаях либо нет когерентной формы плавника, видимой на изображениях, либо видна только передняя кромка (LE) (рисунок 6).
  6. Выполните шаги 3.1.-3.5. для каждого поперечного сечения плавника.

4. Реконструкция 3D прогиба

  1. Предполагая, что положение LE (по крайней мере, ближе к оси хода) в гибких корпусах такое же, как у LE в жестком плавнике той же формы, выровняйте плоскость вдоль их LE за тот же шаг времени и сравните с результатами соответствующей жесткой формы плавника.
  2. Используйте наименьшие квадраты, чтобы приблизить результирующую форму осевой линии поперечного сечения плавника для всех плоских разрезов и реконструировать 3D-форму плавника, используя упрощенный выпуклый корпус из этих установленных профилей.
  3. Сравните полученные формы плавников с 3D-моделями FSI (сгенерированными из их осевых линий), чтобы продемонстрировать, как этот процесс может быть использован в качестве проверки высокой точности.
    1. Генерация поверхностной триангуляции частично жесткого нейлона и частично гибкого плавника PDMS.
    2. Используйте коммерческое программное обеспечение структурной динамики (см. Таблицу материалов) для получения собственных мод гибридного материала.
      1. Выполните исследования масштабирования в соответствии с стационарным смещением, полученным с использованием равномерного перепада давления на поверхностях ребер.
      2. Масштабирование режимов в соответствии с смещением, полученным от программного обеспечения.
    3. При правильном коэффициенте масштабирования используйте первые несколько доминирующих режимов (обычно 7 или 8), используемых в связанном решателе FSI, чтобы смоделировать неустойчивый поток над гибким плавником.
      1. Рассматривайте тело как встроенную сущность в фоновой сетке.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Связанный решатель был проверен для задачи Турека-Грона о потоке по круглому цилиндру с гибким жалом сзади35 и расширен для моделирования взмахов плавника36.
      2. Назначают кинематику движения плавника из экспериментов.
      3. Следите за временной историей производства силы и формой плавника вдоль нескольких плоских разрезов на протяжении всего цикла взмахов и сравнивайте с экспериментами.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Трапециевидный искусственный грудной плавник, вдохновленный рыбой, был отлит из двух разных материалов (PDMS 10: 1 и 20: 1, оба смешаны с флуоресцентным красителем) из формы, каждый с жестким передним лонжероном, вставленным в аккорд передней четверти (рисунок 2 и рисунок 3). Испытание на растяжение двух ребристых материалов (рисунок 3) дало модули упругости 0,38 МПа и 0,82 МПа для ребер PDMS 20:1 и PDMS 10:1, соответственно, сR2 0,99 для обоих измерений (см. Дополнительный рисунок 2 для соответствующих кривых напряжения-деформации).

Чтобы запечатлеть движение плавника, камеру разместили так, чтобы отношение микрометра к пикселю в сфокусированном поле зрения составляло 125 мкм/пиксель. Генератор задержки был подключен и запрограммирован на запуск лазера и камеры с 30 одинаково расположенными временными интервалами на ход плавника на основе одного триггерного сигнала в средней точке каждого хода плавника. Плавник был расположен таким образом, что лазерный лист проходил через хордовый участок плавника. Это было сделано для восьми положений от 1,876 см до 13,132 см от корня геометрии плавника (рисунок 2).

Для каждого поперечного сечения было получено более 200 изображений для каждого из 30 положений (фаз) штриха. Запрограммированная кинематика дала амплитуду хода ±43° и амплитуду шага ±17° (рисунок 7A,B). Из-за непрозрачного жесткого лонжерона поперечное сечение плавника не было видно на каждом временном шаге (рисунок 6), но эти окклюзии были разреженными и не влияли на общую 3D-реконструкцию. После сортировки, усреднения, пороговых значений, бинаризации и трассировки изображений было построено 3D-представление. Эта 3D-реконструкция сравнивалась с результатами модели FSI и структурой модели жесткого плавника. Предполагалось, что положение LE в гибких корпусах такое же, как и положение LE в жестком плавнике для той же формы. Однако существенное снижение общей жесткости, идущей от жесткого к мягкому плавнику, привело к пролетной нагрузке, добавив немалый прогиб вместе с LE для нынешней конструкции.

Рисунок 7C,D иллюстрирует эти сравнения в двух положениях хода, одно в середине восходящего хода (t = 0 с) и одно в середине нисходящего (t = 0,567 с). На рисунке показана хордообразная кривизна, индуцированная давлением жидкости на плавник PDMS 10:1, приводящая к среднему нормализованному смещению хорды задней кромки на самом длинном хордовом участке смещения/хорды (d/c) = 0,36 в середине восходящего хода и d/c = 0,33 в середине нисходящего хода, как измерено в экспериментах. Это сопоставимо с d/c = 0,44 в середине восходящего хода и d/c = 0,39 в среднем нисходящем потоке из моделирования CFD с моделью FSI. Результаты также демонстрируют некоторое прогиб вдоль передней кромки в экспериментах, который не был смоделирован для моделирования.

Дальнейшие сравнения были проведены между деформациями формы ребер PDMS 10:1 и PDMS 20:1 (рисунок 8A). В середине восходящего хода (t = 0 с)) смещение задней кромки на самом длинном участке хорды измерялось как d/c = 0,36 для плавника PDMS 10:1 и d/c = 0,51 для PDMS 20:1. Наконец, на рисунке 8B показаны реконструированные 3D-формы плавников из PLIF, FSI и жестких корпусов в середине восходящего хода (t = 0,567 с). Это демонстрирует способность настоящего метода обеспечивать высокоточную проверку для моделирования FSI.

В дополнение к измерениям истории деформации, как подробно описано ранее, прямые измерения тяги и механической мощности предоставляют ценные данные для анализа двигательных характеристик плавников. Для представленной кинематики плавник PDMS 10:1 производил усредненную тягу хода Fx = 0,51 Н, измеренную с помощью тензодатчика тензодатчика, и среднюю общую мощность Pm = 2,38 Вт, измеренную с помощью датчиков тока и напряжения. Тяга и гидродинамическая мощность, рассчитанные на основе моделирования CFD для поля PDMS 10:1, дали Fx = 0,50 Н и Ph = 0,49 Вт. Плавник PDMS 20:1 производил экспериментально измеренную усредненную тягу хода Fx = 0,48 Н и среднюю мощность Pm = 2,30 Вт. Гидродинамическая мощность составляла примерно 20% от общей мощности, в то время как механические потери в двигателе вносили больший вклад в энергопотребление. Таким образом, различия в гидродинамической мощности и эффективности могли значительно различаться между плавниками с различными свойствами материала, но общая мощность оставалась относительно последовательной.

Figure 1
Рисунок 1: Изготовленные на заказ пластиковые формы для отливки ребер (А и В) и образцов для испытания на растяжение (С). Формы и жесткие лонжероны для плавников были напечатаны на 3D-принтере в жестком пластике (черном и сером), а плавники и образцы для испытаний на растяжение были отлиты из PDMS, смешанного с флуоресцентным красителем (розовым). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Геометрия планообразной формы биоинспирированного плавника, используемая в экспериментах. (A) Модель CAD, иллюстрирующая жесткий лонжерон (серый) и плавник PDMS (синий), с пунктирными черными линиями, указывающими на хордовые поперечные сечения, используемые в экспериментах с плоской лазерно-индуцированной флуоресценцией (PLIF). (B) Флуоресцентный плавник PDMS (розовый) с жестким пластиковым лонжероном (белый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Пример готового плавника и образцов для испытания на растяжение. Отлитый от формы ребро PDMS с черным жестким лонжероном (слева) и тремя образцами образцов типа IV (справа) для испытания на растяжение для получения свойств материала каждой партии флуоресцентных PDMS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Экспериментальная установка. (A) 3D CAD вид экспериментальной установки с лазером и оптикой, зеленым лазерным листом, резервуаром, плавником, установленным на платформе, и камерой. (B) Пример изображения, показывающего установленные в баке ребра с включенным лазером и камерой, видимой справа. Хотя в этой тандемной установке плавников показаны два плавника, которые могут получить кинематику для будущих исследований взаимодействий плавника с плавником, измерения PLIF были зарегистрированы только для переднего плавника в этом исследовании. Кроме того, изображение содержит окружающий свет для визуализации установки, но окружающее освещение было выключено во время всех экспериментов, чтобы улучшить отношение сигнал/шум. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Калибровочное изображение. Перед проведением экспериментов калибровочные изображения были получены с использованием стандартной линейки для измерения соотношения микрометра к пикселю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Изображения плавников с наложением трех временных шагов с репрезентативным примером окклюзии плавника на одном шаге. Поперечное сечение плавника видно на этапах 1 и 3, тогда как непрозрачный жесткий лонжерон закрывает плавник на этапе 2, где оценка положения плавника проводится желтым цветом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Кинематика плавников. (A) Амплитуда хода (±43°) и (B) амплитуда шага (±17°) кинематики плавника с течением времени. Сравнение плавника PDMS 10:1 (светло-голубой), данных FSI плавника PDMS 10:1 (красный) и жесткого плавника (черный), чтобы проиллюстрировать разницу в положениях плавников на двух временных шагах в (C) восходящем и (D) нисходящем движении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8: Сравнение деформации плавника. (A) Сравнение метода PLIF получения кинематики плавника на одном примере временного шага для демонстрации влияния жесткости на деформацию плавника. Измерение PLIF для более совместимого ребра PDMS 20: 1 (темно-синий) показывает большую деформацию, чем более жесткий плавник PDMS 10: 1 (светло-синий), и оба показывают существенные отличия от жесткого плавника (черный). (B) 3D-реконструированные формы ребер из PLIF для PDMS 10:1, FSI для PDMS 10:1 и жесткие корпуса на одном примере временного шага для сравнения поверхности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1: Программный интерфейс для генератора задержки. Пользовательские интерфейсы для программного обеспечения для управления генератором задержки с настройками для получения изображений PLIF при частоте 30 Гц путем координации синхронизации двух лазерных головок и камеры с ребристым триггером. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 2: Результаты испытаний на растяжение для PDMS. Кривые напряжения-деформации для двух смесей PDMS (20:1, более гибкая смесь с модулем упругости 0,38 МПа и 10:1, более жесткая смесь с модулем упругости 0,82 МПа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 1: "Assembly2.stl" - это сборка файлов для 3D-печати пользовательских ребристых форм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" - это файл STL для печати вставки ребра, жесткой части плавника, которая служит креплением к сервоприводу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" - это левая половина формы для 3D-печати гибкого плавника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" - это правая половина формы для 3D-печати гибкого плавника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный кодовый файл 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" - это пресс-форма для 3D-печати для создания образцов типа IV для испытания на растяжение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Планарная лазерно-индуцированная флуоресценция обычно используется для визуализации водных потоков путем засева жидкости красителем, который флуоресцирует при воздействии лазерного листа25,26. Однако об использовании PLIF для визуализации деформаций в совместимых материалах ранее не сообщалось, и в этом исследовании описывается подход к получению измерений истории времени деформации формы с высоким разрешением в гибких твердых ребрах с использованием PLIF. Сравнение этих измерений плавников с моделированием FSI подтверждает численные модели и обеспечивает дополнительную уверенность в использовании вычислительных результатов для проектирования и управления плавниками.

Среди ограничений PLIF для совместимых материалов характеристика деформации включает окклюзию из-за непрозрачных элементов в структуре (передний жесткий лонжерон в этом исследовании). Кроме того, на метод PLIF влияет полное внутреннее отражение (TIR), которое возникает, когда локальный угол падения света на границе раздела PDMS-вода превышает соответствующее критическое значение. Хотя литые ребра PDMS оптически прозрачны, они имеют гораздо более высокий показатель преломления (1,49), чем водные (1,33), что приводит к оптическим искажениям и окклюзии с критическим углом 63,5°. Поэтому при наличии большой деформации (например, вблизи концов плавников в настоящем исследовании) угол локального падения может превышать 63,5°. Следовательно, падающий лазерный луч отражается обратно в плавник, что приводит к гораздо большей «флуоресцентной области» на захваченном изображении, что влияет на качество изображения и формы, обнаруженные с помощью этого метода. Одним из методов решения этой проблемы для будущих исследований является использование рабочей жидкости с оптическим индексом, такой как раствор40 йодида натрия (NaI). Однако это считается выходящим за рамки настоящего исследования, поскольку этот вопрос не затрагивает большинство поперечных сечений плавников.

Когда сопоставление оптического индекса невозможно, концентрация флуоресцентного пигмента во время литья может быть скорректирована для смягчения этого эффекта. Более высокие концентрации флуоресцентного красителя могут улучшить SNR, но если пигмента слишком много и кривизна (прогиб) плавника высока, эффект внутреннего отражения может быть слишком сильным. Это может вызвать расширение изображения для этих профилей. Кроме того, следует учитывать необходимость определения оптимального угла падения лазера по отношению к ожидаемому доминирующему отклонению (если таковое имеется), чтобы свести к минимуму влияние внутренних отражений. Чтобы проиллюстрировать это, профили поперечного сечения различаются для штрихов вверх и вниз. В последнем, когда свет преломлялся через LE-сторону плавника, он подвергался множественным внутренним отражениям в последующих аккордовых местах, в результате чего форма профиля значительно расширялась. Для восходящего хода падающий свет не взаимодействовал с жесткими или гибкими частями плавников более одного раза, что приводило к четкому профилю. Это изменение исключает алгоритмическую генерацию общей маски профиля, поскольку степень передачи и отражения также изменяется во время цикла инсульта. Хотя анализ изображений учитывает динамический порог для решения этой проблемы, по-прежнему сложно автоматически создать оболочку поперечного сечения.

Вогнутая поверхность более склонна к внутренним отражениям, чем выпуклая сторона. Следовательно, был исследован альтернативный подход к получению более точного профиля осевой линии путем смещения выпуклой поверхности на половинную среднюю толщину плавника. Тем не менее, результирующий профиль существенно не изменился по сравнению с тем, который был получен при наименьшем квадратном соответствии.

Кроме того, испытание на растяжение и последующая подгонка кривой предполагают линейное соотношение напряжение-деформация для малых деформаций39. Однако это предположение не справедливо для более крупных деформаций, влияющих на вычисляемые собственные частоты, используемые в качестве входных данных для модели FSI. Усилия по получению более точного прогноза FSI путем учета таких нелинейных эффектов считаются выходящими за рамки настоящего уровня, но актуальными для будущих исследований.

Таким образом, это исследование продемонстрировало влияние жесткости плавников на биоинспирированные роботизированные плавники и подтвердило вычислительные модели. Объединяя эти измерения твердых деформаций с одновременным измерением потоков жидкости, как описано в других исследованиях PLIF25, будущие исследования улучшат экспериментальный анализ FSI в роботизированных плавниках, биоинспирированных мягких роботах и других приложениях путем интеграции красителей, которые флуоресцируют на различных длинах волн и нескольких камерах. Благодаря широкому использованию PDMS в других областях исследований24, этот метод визуализации деформаций в гибких твердых телах может принести пользу сообществам исследователей в области инженерии, физики, биологии и медицины.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Это исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований через базовую программу 6.2 Военно-морской исследовательской лаборатории США (NRL) и выполнено, в то время как Каушик Сампат был сотрудником отдела акустики в NRL, а Николь Сюй получила награду NRC Research Associateship в лабораториях вычислительной физики и гидродинамики в NRL. Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Рубена Гортензиуса (TSI Inc.) за техническую поддержку и руководство.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ADMET controller ADMET MTESTQuattro
Axon II Society of Robots Microcontroller for the fin hardware
Berkeley Nucleonics Delay Generator Berkeley Nucleonics Corp Model 525 BNC delay generator and software
BobCat Cam Config Imperx Camera settings software
CCD camera Imperx B2340 4 MegaPixel
COMSOL COMSOL Inc Commercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling
D646WP Servo Hitec 36646S 32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation
D840WP Servo Hitec 36840S 32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation
Electric Pink fluorescent pigment Silc Pig PMS812C
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system) Quantel EVG00070 Laser head and power supply, 70 mJ
Force transducer ADMET SM-10-961 10 lbf load cell
FrameLink Express Imperx Camera capture software
Longpass fluorescence filter Edmund Optics 560 nm
MATLAB MathWorks Software for image analysis
Planetary centrifugal mixer THINKY MIXER AR-100
Silicone rubber compounds Momentive RTV615 Clear PDMS
Stratasys J750 Stratasys 3D printer, polyjet
Universal testing machine ADMET eXpert 2611 Table top model
VeroBlack Stratasys 3D printer material to build the molds
VeroGray Stratasys 3D printer material to build the molds

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
  2. Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
  3. Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
  4. Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
  7. Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
  8. Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
  9. Park, Y. -J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -Y., Cho, K. -J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
  10. Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985 (2012).
  11. Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
  12. Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
  13. Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
  16. Park, H., Park, Y. -J., Lee, B., Cho, K. -J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
  17. Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
  18. Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101 (2020).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
  22. Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924 (2021).
  23. Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098 (2013).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
  25. Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
  28. Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
  29. Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
  32. Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
  33. Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
  34. Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).
  38. Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
  39. D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).

Tags

Биоинженерия выпуск 182
Моделирование деформации мягких плавников с использованием планарной лазерно-индуцированной флуоресцентной визуализации
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sampath, K., Xu, N., Geder, J.,… More

Sampath, K., Xu, N., Geder, J., Pruessner, M., Ramamurti, R. Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging. J. Vis. Exp. (182), e63784, doi:10.3791/63784 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter