Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Flapping Soft Fin Deformation Modeling med planar laserinducerad fluorescensavbildning

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

Det nuvarande protokollet innefattar mätning och karakterisering av 3D-formdeformation i undervattensflappingfenor byggda med polydimetylsiloxan (PDMS) material. Noggrann rekonstruktion av dessa deformationer är avgörande för att förstå framdrivningsprestandan hos kompatibla flaxfenor.

Abstract

Framdrivningsmekanismer inspirerade av fenorna hos olika fiskarter har undersökts alltmer, med tanke på deras potential för förbättrad manövrering och smygförmåga i obemannade fordonssystem. Mjuka material som används i membranen i dessa fenmekanismer har visat sig vara effektiva för att öka dragkraften och effektiviteten jämfört med mer styva strukturer, men det är viktigt att mäta och modellera deformationerna i dessa mjuka membran exakt. Denna studie presenterar ett arbetsflöde för att karakterisera den tidsberoende formdeformationen hos flexibla undervattensflappingfenor med hjälp av plan laserinducerad fluorescens (PLIF). Pigmenterade polydimetylsiloxanfenmembran med varierande styvhet (0,38 MPa och 0,82 MPa) tillverkas och monteras på en enhet för aktivering i två frihetsgrader: stigning och rulle. PLIF-bilder förvärvas över en rad spännviddsplan, bearbetas för att erhålla findeformationsprofiler och kombineras för att rekonstruera tidsvarierande 3D-deformerade fenformer. Data används sedan för att ge högkvalitativ validering för vätskestrukturinteraktionssimuleringar och förbättra förståelsen för prestandan hos dessa komplexa framdrivningssystem.

Introduction

I naturen har många fiskarter utvecklats för att använda en mängd olika kropps- och finrörelser för att uppnå rörelse. Forskning för att identifiera principerna för fiskrörelse har hjälpt till att driva utformningen av bioinspirerade framdrivningssystem, eftersom biologer och ingenjörer har arbetat tillsammans för att utveckla kapabla nästa generations framdrivnings- och kontrollmekanismer för undervattensfordon. Olika forskargrupper har studerat fenkonfigurationer, former, material, slagparametrar och ytkrökningskontrolltekniker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Vikten av att karakterisera spetsvirvelgenerering och väckningslutning för att förstå tryckgenerering i en- och multifensystem har dokumenterats i många studier, både beräkningsmässiga och experimentella 13,14,15,16,17,18. För finmekanismer tillverkade av kompatibla material, som visats i olika studier för att minska väckningslutningen och öka dragkraften17, är det också viktigt att fånga och noggrant modellera deras deformationstidshistoria för att para ihop med flödesstrukturanalysen. Dessa resultat kan sedan användas för att validera beräkningsmodeller, informera fendesign och kontroll samt underlätta aktiva forskningsområden inom ostadig hydrodynamisk belastning på flexibla material, som behöver valideras19. Studier har använt direkt höghastighets bildbaserad formspårning i hajfenor och andra komplexa objekt 20,21,22, men den komplexa 3D-fenformen blockerar ofta optisk åtkomst, vilket gör det svårt att mäta. Således finns det ett pressande behov av en enkel och effektiv metod för att visualisera flexibel finrörelse.

Ett material som ofta används i kompatibla fenmekanismer är polydimetylsiloxan (PDMS) på grund av dess låga kostnad, användarvänlighet, förmåga att variera styvhet och kompatibilitet med undervattensapplikationer23, vilket beskrivs utförligt i en översyn av Majidi et al.24. Förutom dessa fördelar är PDMS också optiskt transparent, vilket bidrar till mätningar med hjälp av en optisk diagnostisk teknik såsom plan laserinducerad fluorescens (PLIF). Traditionellt inom experimentell strömningsmekanik25 har PLIF använts för att visualisera vätskeflöden genom att så vätskan med färgämne eller suspenderade partiklar eller dra nytta av kvantövergångar från arter som redan finns i flödet som fluorescerar när de utsätts för ett laserark 26,27,28,29. Denna väletablerade teknik har använts för att studera grundläggande vätskedynamik, förbränning och havsdynamik 26,30,31,32,33.

I den aktuella studien används PLIF för att erhålla spatiotemporalt upplösta mätningar av formdeformation i flexibla fiskinspirerade robotfenor. Istället för att så vätskan med färgämne visualiseras undervattenskinematiken hos en PDMS-fena vid olika ackordvisa tvärsnitt. Även om plan laseravbildning kan utföras på vanliga gjutna PDMS utan ytterligare fluorescens, kan modifiering av PDMS för att förbättra fluorescensen förbättra signal-brusförhållandet (SNR) för bilderna genom att minska effekterna av bakgrundselement, såsom finmonteringshårdvaran. PDMS kan göras fluorescerande genom att använda två metoder, antingen genom fluorescerande partikelsådd eller pigmentering. Det har rapporterats att för ett givet delförhållande förändrar den förra styvheten hos den resulterande gjutna PDMS34. Därför blandades ett giftfritt, kommersiellt tillgängligt pigment med transparent PDMS för att gjuta fluorescerande fenor för PLIF-experimenten.

För att ge ett exempel på att använda dessa fenkinematikmätningar för validering av beräkningsmodeller jämförs sedan den experimentella kinematiken med värden från fenans kopplade vätskestrukturinteraktionsmodeller (FSI). FSI-modellerna som används i beräkningarna är baserade på de första sju egenlägena beräknade med hjälp av de uppmätta materialegenskaperna för fenorna. Framgångsrika jämförelser validerar finmodeller och ger förtroende för att använda beräkningsresultaten för findesign och kontroll. Vidare visar PLIF-resultaten att denna metod kan användas för att validera andra numeriska modeller i framtida studier. Ytterligare information om dessa FSI-modeller finns i tidigare arbete35,36 och i grundläggande texter av beräkningsmetoder för vätskedynamik37,38. Framtida studier kan också möjliggöra samtidiga mätningar av fasta deformationer och vätskeflöden för förbättrade experimentella studier av FSI i robotfenor, bioinspirerade mjuka robotar och andra applikationer. Dessutom, eftersom PDMS och andra kompatibla elastomerer används i stor utsträckning inom olika områden, inklusive sensorer och medicintekniska produkter, kan visualisering av deformationer i flexibla fasta ämnen med hjälp av denna teknik gynna en större grupp forskare inom teknik, fysik, biologi och medicin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fin tillverkning

  1. Bygg en finform baserad på önskad formdesign.
    1. Designa och bygg en anpassad 3D-printad glansfärdig form av fenform (Figur 1). Se STL-filer för att tillverka formen i Kompletterande kodningsfiler 1–4.
    2. Sätt in konstruktionselement i formen, till exempel en 3D-tryckt styv plast framkantsspar. Se STL-filen för spar i Kompletterande kodningsfil 2.
  2. Blanda PDMS (se Materialtabell) i önskat artikelförhållande.
    1. Välj delförhållandet mellan baselastomer och härdningsmedel (dvs. 10:1 eller 20:1) för att uppnå högre respektive lägre elastisk modul. Väg motsvarande mängder bas och härdare.
      OBS: Både 10:1 och 20:1 (elastomer till härdningsmedel) användes i den aktuella studien.
    2. Mät det fluorescerande pigmentet (se Materialtabell) så att den totala blandningen innehåller 0,1%-1 viktprocent pigment, beroende på önskad pigmenteringsljusstyrka. Tillsätt pigmentet i PDMS-blandningen.
    3. Häll de uppmätta mängderna elastomer, härdare och pigment i en planetarisk centrifugalblandare (blanda vid 423 x g i 30 s och avaera vid 465 x g i 30 s) och blanda därefter.
  3. Gjut fenan i formen.
    1. Degas och häll PDMS-blandningen i formen för fenan. Sätt in formen i ugnen vid 70 ° C i 45 minuter och låt den härda över natten vid 37 ° C.
    2. När härdningen är klar, ta bort den gjutna fenan från formen (Figur 2).
  4. Utför dragprovning enligt ASTM-standarden39.
    1. För varje fena som gjuts i steg 1.3, gjut ett prov av typ IV med samma PDMS- och pigmentblandning i en typ IV-formad form med hjälp av de tidigare beskrivna stegen 1.1–1.3.
      OBS: Se STL-filerna för att kasta typ IV-provexemplaret i kompletterande kodningsfil 5 (mögel som visas i figur 1C) och se figur 3 för exempel på de testade typ IV-proverna.
    2. Kläm fast provexemplaret i dragprovningsmaskinen (se Materialtabell). Mät den ursprungliga längden, bredden och tjockleken (mm) på den smala provsektionen.
    3. Utsätt provexemplaret för spänning i steg om 5 mm, vilket säkerställer att provet förblir sträckt endast i det elastiska området, inte översträckt. Minska spänningen i steg om 5 mm tills den totala provförskjutningen är 0 mm (ursprungligt läge). Registrera längderna (mm) och krafterna (N) för den smala sektionen vid varje steg.
    4. För att beräkna provets elastiska modul, plotta spänningsspänningskurvan och bestäm den bästa linjära passformen ochR2-värdet .

2. Experimentell installation och försök

  1. Montera PLIF-hårdvaran (se Materialtabell) på en rektangulär glasvattentank (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
    1. Montera och använd ett pulserat lasersystem (se Materialtabell) för att generera ett plant ljusark som skär tanken vid dess mittplan vid en angiven frekvens (30 Hz), som visas i figur 4.
    2. Montera och använd en CCD-kamera (4 MP laddningskopplad enhet) utrustad med ett objektiv (35 mm) och ett longpass-fluorescensfilter (560 nm) (se Materialtabell).
    3. Kalibrera mikrometer-till-pixel-omvandlingen genom att ta en enda bild från CCD-kameran med en linjal placerad i laserarkplanet (Figur 5). Välj två positioner på kameran och dela avståndet i mikrometer genom att separera pixlar. Se till att detta mikrometer-till-pixel-förhållande är tillräckligt litet (under millimeter) för applikationen.
  2. Synkronisera laserpulserna och kamerabilderna med den flaxande fenan med hjälp av triggerutgångar från fenprogramvaran och signaler från en fördröjningsgenerator och tillhörande programvara (se Materialtabell) för att samordna kameran, laserhuvudena och fenrörelsen. Se Kompletterande figur 1 för ett exempel på fördröjningsgeneratorns programvarugränssnittsinställningar.
    1. Ställ in lasersystemet.
      OBS: Se till att alla lasersäkerhetsåtgärder överensstämmer med institutionella riktlinjer.
      1. Slå på lasersystemet genom att vrida strömbrytaren åt höger för att köra kylaggregatet som kyler laserhuvudena. Fellampan blinkar tills systemet är redo att driva lasrarna. Tryck inte på strömbrytaren som slår på lasrarna förrän alla laserlägen är korrekt inställda.
      2. Ställ in avtryckarkällan på EXT LAMP/EXT Q-SW (extern lampa/extern Q-switch).
      3. För båda laserhuvudena, ställ in laserenergin till önskad nivå (dvs. cirka 60% -80% av full effekt) och se till att Q-omkopplaren är påslagen genom att trycka på varje Q-switch-knapp .
      4. Slå på lasrarna genom att trycka på strömbrytaren.
        OBS: Eftersom triggerkällan är inställd på EXT LAMP/EXT Q-SW är laserhuvudena redo att avfyras, men avfyras först efter att systemet har tagit emot en extern utlösare från programvaran.
    2. Ställ in kameran.
      1. Anslut strömkablarna till kameran och säkerställ korrekta anslutningar till datorn och programvaran.
      2. Öppna programvaran för kamerainställningar och välj rätt port.
        1. Under Inställningar för > ställer du in "Trigger in:" på Extern och "Mode:" på Fast.
        2. Under Exponering ställer du in "Exponeringskontroll" på Av.
      3. Öppna programvaran för kamerainspelning och välj rätt kamerakort.
        1. Klicka på knappen Grab Sequence .
        2. Klicka på knappen Capture Settings (Capture Settings ), välj TIFF images ( Serie av bildrutor ) och välj önskad filsökväg, 6-siffrigt nummer, Kontinuerlig och Acceptera.
        3. Klicka på Starta capture.
          OBS: Eftersom kamerainställningarna är inställda på en extern utlösare är kameran redo att samla in bilder men tar bara dessa bilder efter att systemet har fått en extern utlösare från programvaran.
    3. Ställ in fördröjningsgeneratorn.
      1. Slå på fördröjningsgeneratorn och anslut den externa grindkanalen till fenutlösaren, kanalerna A-D till lasern (A: laserhuvud 1, B: Q-switch till laser 1, C: laserhuvud 2 och D: Q-switch till laser 2) och kanal E till kameran.
      2. Öppna programvaran för fördröjningsgenerator.
      3. Välj "Pulsläge" till Burst och "Systemupplösning" till 4 ns.
      4. Ställ in "Period (er)" till 0,033333352.
      5. Ställ in "External Trigger/Gate Mode" på Triggered, "Threshold (V)" på 0.20 och "Trigger Edge" som Rising.
      6. På Kanaler > Ch A klickar du på kryssrutan Aktiverad . Ställ in "Delay (s)" på 0,000000004, "Width (s)" till 0,005000000, "Amplitude (V)" till 5,00, "Channel Mode" till Duty Cycle, "Wait Count" till 0, "Sync Source" till T0, "Polarity" till Normal, "Multiplexer" till A, "Duty Cycle On" till 1, "Duty Cycle Off" till 1 och "Gate Mode" till Disabled.
      7. På Kanaler > Ch B klickar du på kryssrutan Aktiverad . Ställ in "Delay (s)" på 0,000138000, "Width (s)" till 0,005000000, "Amplitude (V)" till 5,00, "Channel Mode" till Duty Cycle, "Wait Count" till 0, "Sync Source" till Ch A, "Polarity" till Normal, "Multiplexer" till B, "Duty Cycle On" till 1, "Duty Cycle Off" till 1 och "Gate Mode" till Disabled.
      8. På Kanaler > Ch C klickar du på kryssrutan Enabled . Ställ in "Delay (s)" på 0,033333304, "Width (s)" till 0,005000000, "Amplitude (V)" till 5,00, "Channel Mode" till Duty Cycle, "Wait Count" till 0, "Sync Source" till Ch A, "Polarity" till Normal, "Multiplexer" till C, "Duty Cycle On" till 1, "Duty Cycle Off" till 1 och "Gate Mode" till Disabled.
      9. På Kanaler > Ch D klickar du på kryssrutan Aktiverad . Ställ in "Delay (s)" på 0,000138000, "Width (s)" till 0,005000000, "Amplitude (V)" till 5,00, "Channel Mode" till Duty Cycle, "Wait Count" till 0, "Sync Source" till Ch C, "Polarity" till Normal, "Multiplexer" till D, "Duty Cycle On" till 1, "Duty Cycle Off" till 1 och "Gate Mode" till Disabled.
      10. På Kanaler > Ch E klickar du på kryssrutan Enabled . Ställ in "Fördröjning (er)" till 0,000000004, "Bredd (s)" till 0,005000000, "Amplitud (V)" till 5,00, "Kanalläge" till Normal, "Vänteantal" till 0, "Synkronisera källa" till T0, "Polaritet" till Normal, "Multiplexer" till E och "Gate Mode" till Inaktiverat.
  3. Rikta in fenan så att laserarket passerar genom en ackordvis sektion av fenan vid ett valt spanwise-läge och säkra fenplattformen med monteringshårdvaran.
  4. Anslut strömmen till finstyrningshårdvaran och fenmotorerna (se Materialtabell) för att börja finklappa med den valda kinematiken och stänga av alla omgivande lampor.
  5. Tryck på Kör i fördröjningsgeneratorprogramvaran för att påbörja de synkroniserade experimenten och få bilder av laserarkets skärningspunkt med fenan under hela slagcykeln. Detta måste genomföras över 200+ slagcykler.
  6. Tryck på Stop i fördröjningsgeneratorns programvara och koppla bort fenan från strömkällan.
  7. Flytta fenplattformen så att laserarket korsar i en ny spanwise position och utför experiment för att få bilderna igen. Upprepa steg 2.3.–2.6. för antalet önskade mätningar (åtta olika spännviddspositioner, vilket visas av de svarta streckade linjerna i figur 2A).
  8. Byt ut fenan mot ytterligare önskade fenmembran (två fenstyvheter, PDMS 10:1 och PDMS 20:1) och upprepa experimenten.

3. Bildanalys

  1. För varje experimentell prövning som utförs i steg 2.4, leta reda på filen där bilderna lagras och skapa en undermapp för varje fenposition eller fas under hela slagcykeln. Sortera bildfilerna i motsvarande undermappar.
  2. För varje finfasundermapp läser du de över 200 bilderna som pixelvärdesmatriser (imread.m). Summera pixelvärdesmatriserna för alla bilder och dividera med antalet bilder för att generera en genomsnittlig bild. Skriv bilden till en ny fil (imwrite.m). Upprepa detta steg för varje fenposition under hela slagcykeln (30 positioner).
  3. Utför en histogramförbättring på varje medelbild (imadjust.m) för att utöka bildernas dynamiska intensitetsområde till hela det tillgängliga intervallet för att förbättra kontrasten mellan fenan och bakgrunden.
  4. Ställ in intensitetströsklarna och binarisera varje bild för att få en svartvit bild (imbinarize.m). De resulterande vita formerna bör motsvara bitar av fentvärsnittet.
  5. Extrahera alla vita objekt (finbitar) från den binära bilden (bwareafilt.m) och visa bilden (imshow.m). Skapa ett spår av den binära bildgränsen för varje bild för att få en 2D-form genom att välja alla fena (vita) pixlar som berör bakgrundspixlarna (svarta) (bwboundaries.m).
    OBS: På grund av pålagd fenkinematik kan sikten på plif-uppmätt tvärsnitt i vissa ramar vara tillsluten av en annan del av fenan. I sådana fall finns det antingen ingen sammanhängande fenform som framgår av bilderna, eller så förblir endast framkanten (LE) synlig (figur 6).
  6. Utför steg 3.1.-3.5. för varje fentvärsnitt.

4. Rekonstruktion av 3D-avböjning

  1. Förutsatt att LE-positionen (åtminstone närmare slagaxeln) i de flexibla fallen är densamma som för LE i en styv fena av samma form, linje planet skär längs deras LE för samma tidssteg och jämför med resultaten från motsvarande styva fenform.
  2. Använd en minsta kvadratpassning för att approximera den resulterande mittlinjeformen för fentvärsnittet för alla planskärningar och rekonstruera 3D-fenformen med hjälp av ett förenklat konvext skrov från dessa monterade profiler.
  3. Jämför de resulterande fenformerna med 3D FSI-modeller (genererade från deras mittlinjer) för att visa hur denna process kan användas som högkvalitativ validering.
    1. Generera en yttriangulering av den delvis styva nylon- och delvis flexibla PDMS-fenan.
    2. Använd en kommersiell programvara för strukturell dynamik (se Materialtabell) för att erhålla hybridmaterialets egenlägen.
      1. Utför skalningsstudier för att matcha steady-state-förskjutningen erhållen med enhetlig tryckskillnad på fenytorna.
      2. Skala lägena så att de matchar förskjutningen som erhållits från programvaran.
    3. Med rätt skalfaktor, använd de första dominerande lägena (vanligtvis 7 eller 8) som används i den kopplade FSI-lösaren för att simulera det ostadiga flödet över den flexibla fenan.
      1. Behandla kroppen som en inbäddad entitet i ett bakgrundsnät.
        OBS: Den kopplade lösaren validerades för Turek-Hron-problemet med flöde över en cirkulär cylinder med ett flexibelt stick på baksidan35 och förlängdes för flaxande fensimuleringar36.
      2. Förskriv kinematiken hos fenrörelsen från experimenten.
      3. Övervaka tidshistoriken för kraftproduktionen och formen på fenan längs flera planskärningar under hela flappingcykeln och jämför med experiment.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En trapetsformad fiskinspirerad konstgjord bröstfena gjöts i två olika material (PDMS 10:1 och 20:1, båda blandade med fluorescerande färgämne) ur en form, var och en med en styv framkantsspar insatt i det inledande kvartsackordet (figur 2 och figur 3). Dragprovning av de två fenmaterialen (figur 3) gav elastiska moduler på 0,38 MPa och 0,82 MPa för PDMS 20:1 respektive PDMS 10:1-fenorna, med enR2 på 0,99 för båda mätningarna (se kompletterande figur 2 för motsvarande spänningsspänningskurvor).

För att fånga fenans rörelse placerades kameran så att mikrometer-till-pixel-förhållandet i det fokuserade synfältet var 125 μm/pixel. En fördröjningsgenerator kopplades och programmerades för att utlösa lasern och kameran med 30 lika fördelade tidsintervall per fenslag baserat på en enda triggersignal vid mittpunkten för varje finslag. Fenan placerades så att laserarket passerade genom en ackordvis sektion av fenan. Detta gjordes för åtta spännvidder från 1.876 cm till 13.132 cm från roten av fengeometrin (figur 2).

För varje tvärsnitt erhölls 200+ bilder för var och en av 30 slagpositioner (faser). Den programmerade kinematiken gav en strokeamplitud på ±43° och en tonhöjdsamplitud på ±17° (figur 7A,B). På grund av den ogenomskinliga styva sparen var fentvärsnittet inte synligt vid varje tidssteg (figur 6), men dessa ocklusioner var glesa och påverkade inte de övergripande 3D-rekonstruktionerna. Efter bildsortering, medelvärde, tröskel, binarisering och spårning konstruerades en 3D-representation. Denna 3D-rekonstruktion jämfördes med resultaten från FSI-modellen och strukturen hos en styv fenmodell. LE-positionen i de flexibla fodralen antogs vara densamma som för LE i den styva fenan för samma form. Den betydande minskningen av den totala styvheten som gick från den styva till den mjuka fenan resulterade emellertid i spännvidd belastning, vilket tillförde en icke försumbar avböjning tillsammans med LE för den nuvarande designen.

Figur 7C,D illustrerar dessa jämförelser vid två positioner i slaget, en i mitten av uppslaget (t = 0 s) och en i mitten av nedslaget (t = 0,567 s). Figuren visar den ackordvisa krökningen som induceras av vätsketryck på PDMS 10: 1-fenan, vilket leder till en genomsnittlig normaliserad ackordförskjutning av bakkanten vid den längsta ackordsektionen av förskjutning / ackord (d / c) = 0,36 i mitten av uppslag och d / c = 0,33 i mitten av nedslaget, mätt i experimenten. Detta kan jämföras med d/c = 0,44 i mitten av uppslaget och d/c = 0,39 i mitten av nedslaget från CFD-simuleringarna med FSI-modellen. Resultaten visar också en viss spännvidd längs framkanten i experimenten, som inte modellerades för simuleringarna.

Ytterligare jämförelser gjordes mellan formdeformationerna för PDMS 10:1- och PDMS 20:1-fenorna (figur 8A). I mitten av uppslaget (t = 0 s)) mättes bakkantsförskjutningen vid den längsta ackordsektionen som d/c = 0,36 för PDMS 10:1-fenan och d/c = 0,51 för PDMS 20:1. Slutligen visar figur 8B de rekonstruerade 3D-fenformerna från PLIF, FSI och styva fall i mitten av uppslaget (t = 0,567s). Detta visar förmågan hos den nuvarande tekniken att tillhandahålla högkvalitativ validering för FSI-simuleringar.

Förutom mätningar av deformationstidshistoriken, som beskrivits tidigare, ger direkta mätningar av dragkraft och mekanisk effekt värdefulla data för att analysera fenas framdrivningsprestanda. För den presenterade kinematiken producerade PDMS 10: 1-fenan en slaggenomsnittlig dragkraft på Fx = 0,51 N, mätt med en belastningsmätare, och en genomsnittlig total effekt på Pm = 2,38 W, mätt med ström- och spänningssensorer. Dragkraft och hydrodynamisk effekt beräknad från CFD-simuleringen för PDMS 10: 1-fältet gav Fx = 0,50 N och Ph = 0,49 W. PDMS 20: 1-fenan producerade en experimentellt uppmätt slaggenomsnittlig dragkraft på Fx = 0,48 N och en genomsnittlig effekt på Pm = 2,30 W. Den hydrodynamiska effekten utgjorde cirka 20% av den totala effekten, medan mekaniska förluster i motorn var en större bidragande orsak till strömförbrukningen. Som sådan kunde skillnaderna i hydrodynamisk effekt och effektivitet ha varierat avsevärt mellan fenor med olika materialegenskaper, men den totala effekten förblev relativt konsekvent.

Figure 1
Figur 1: Anpassade plastformar för att gjuta fenorna (A och B) och dragprover (C). Formarna och styva spars för fenorna var 3D-tryckta i styv plast (svart och grått), och fenorna och dragprovproverna var gjutna av PDMS blandat med ett fluorescerande färgämne (rosa). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Bioinspirerad finplanformgeometri som används i experiment. (A) CAD-modell som illustrerar den styva spar (grå) och PDMS-fenan (blå), med streckade svarta linjer som indikerar de ackordvisa tvärsnitten som används i plana laserinducerad fluorescens (PLIF) experiment. (B) Fluorescerande PDMS-fena (rosa) med en styv plastspar (vit). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Exempel på ett färdigt fen- och dragprovningsprov. Gjutgjuten PDMS-fena med en svart styv spar (vänster) och tre exempel på typ IV-prover (höger) för dragprovning för att erhålla materialegenskaperna hos varje sats fluorescerande PDMS. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Experimentell inställning. (A) 3D CAD-vy av den experimentella installationen med laser och optik, grönt laserark, tank, fena monterad på en plattform och kamera. (B) En exempelbild som visar de monterade fenorna i tanken, med lasern påslagen och en kamera synlig längst till höger. Även om två fenor visas i denna tandemfena inställning, som kan erhålla kinematiken för framtida studier av finfensinteraktioner, registrerades PLIF-mätningar för endast den främre fenan i denna studie. Dessutom innehåller bilden omgivande ljus för att visualisera installationen, men de omgivande lamporna stängdes av under alla experiment för att förbättra signal-brusförhållandet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Bild 5: Kalibreringsbild. Innan experimenten kördes erhölls kalibreringsbilder med hjälp av en standardlinjal för att mäta mikrometer-till-pixel-förhållandet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Finbilder av tre tidssteg överlagrade, med ett representativt exempel på fenocklusion vid ett tidssteg. Fentvärsnittet syns i steg 1 och 3, medan den ogenomskinliga styva sparen täcker fenan vid steg 2, där en uppskattning av fenans position dras i gult. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Finkinematik. (A) Slagamplituden (±43°) och (B) tonhöjdsamplituden (±17°) för fenkinematiken över tid. En jämförelse av PDMS 10: 1-fenan (ljusblå), FSI-data för PDMS 10: 1-fenan (röd) och styv fena (svart) för att illustrera skillnaden i fenpositioner vid två tidssteg i (C) uppslag och (D) nedslag. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8: Jämförelse av findeformation. (A) En jämförelse av PLIF-metoden för att erhålla finkinematik vid ett exempeltidssteg för att visa effekterna av styvhet på findeformation. PLIF-mätningen för den mer kompatibla 20: 1 PDMS-fenan (mörkblå) visar mer deformation än den mer styva 10: 1 PDMS-fenan (ljusblå), och båda visar väsentliga skillnader från en styv fena (svart). (B) 3D-rekonstruerade fenformer från PLIF för 10: 1 PDMS, FSI för 10: 1 PDMS och styva fodral vid ett exempeltidssteg för att jämföra ytpassningarna. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Kompletterande figur 1: Programvarugränssnitt för fördröjningsgeneratorn. Användargränssnitten för programvara för att styra fördröjningsgeneratorn, med inställningar för att producera PLIF-bilder vid 30 Hz genom att samordna tidpunkten för de två laserhuvudena och kameran med fenutlösaren. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 2: Dragprovningsresultat för PDMS. Spänningsspänningskurvor för två blandningar av PDMS (20: 1, en mer flexibel blandning med en elastisk modul på 0,38 MPa och 10: 1, en styvare blandning med en elastisk modul på 0,82 MPa). Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande kodningsfil 1: "Assembly2.stl" är en sammansättning av filer för att 3D-skriva ut de anpassade fenformarna. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande kodningsfil 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" är STL-filen för att skriva ut feninsatsen, en styv del av fenan som fungerar som fäste till servon. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande kodningsfil 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" är den vänstra halvan av 3D-utskriftsformen för den flexibla fenan .

Kompletterande kodningsfil 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" är den högra halvan av 3D-utskriftsformen för den flexibla fenan .

Kompletterande kodningsfil 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" är 3D-utskriftsformen för att skapa typ IV-prover för dragprovning. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Planar laserinducerad fluorescens används vanligtvis för att visualisera vattenflöden genom att så vätskan med färgämne, som fluorescerar när den utsätts för ett laserark25,26. Att använda PLIF för att visualisera deformationer i kompatibla material har dock inte tidigare rapporterats, och denna studie beskriver ett tillvägagångssätt för att erhålla tidshistoriska mätningar av högupplöst formdeformation i flexibla fasta fenor med PLIF. Att jämföra dessa fenmätningar med FSI-simuleringar validerar de numeriska modellerna och ger ytterligare förtroende för att använda beräkningsresultat för fendesign och kontroll.

Bland begränsningarna av PLIF för kompatibla material innefattar deformationskarakterisering ocklusion på grund av ogenomskinliga element i strukturen (den ledande styva sparen i denna studie). Dessutom påverkas PLIF-tekniken av total intern reflektion (TIR), som uppstår när ljusets lokala infallsvinkel vid PDMS-vattengränssnittet överstiger det associerade kritiska värdet. Även om de gjutna PDMS-fenorna är optiskt transparenta har de ett mycket högre brytningsindex (1,49) än vatten (1,33), vilket leder till optisk distorsion och ocklusion med en kritisk vinkel på 63,5 °. Därför, när det finns en stor deformation (t.ex. nära ändarna av fenorna i den aktuella studien), kan den lokala incidensvinkeln överstiga 63,5 °. Följaktligen reflekteras den infallande laserstrålen tillbaka in i fenan, vilket resulterar i ett mycket större "fluorescerande område" på den tagna bilden, vilket påverkar bildkvaliteten och formerna som detekteras från denna teknik. En metod för att lösa detta problem för framtida studier är att använda en optisk indexmatchad arbetsvätska, såsom natriumjodid (NaI) lösning40. Detta bedöms dock inte vara aktuellt för denna studie eftersom denna fråga inte påverkar de flesta fentvärsnitt.

När optisk indexmatchning inte är möjlig kan koncentrationen av fluorescerande pigment under gjutning justeras för att mildra denna effekt. Högre koncentrationer av det fluorescerande färgämnet kan förbättra SNR, men om det finns för mycket pigment och fenans krökning (avböjning) är hög kan effekten av den inre reflektionen vara för stark. Detta kan orsaka bildutvidgning för dessa profiler. Dessutom bör starka överväganden göras för att bestämma den optimala laserincidensvinkeln med avseende på den förväntade dominerande avböjningen (om någon) för att minimera effekten av interna reflektioner. För att illustrera varierar tvärsnittsprofilerna för upp- och nedslag. I den senare, när ljuset bröt genom FENANS LE-sida, genomgick det flera inre reflektioner vid efterföljande ackordvisa platser, vilket gjorde profilformen avsevärt utvidgad. För uppslaget interagerade det infallande ljuset inte med de styva eller flexibla delarna av fenorna mer än en gång, vilket resulterade i en skarp profil. Denna variation utesluter att en allmän profilmask genereras algoritmiskt, eftersom omfattningen av överföring och reflektion varierar under strokecykeln också. Även om bildanalysen tar hänsyn till ett dynamiskt tröskelvärde för att hantera detta, är det fortfarande utmanande att generera ett tvärsnittskuvert automatiskt.

Den konkava ytan är mer benägen för inre reflektioner än den konvexa sidan. Därför undersöktes ett alternativt tillvägagångssätt för att erhålla en mer exakt mittlinjeprofil genom att kompensera den konvexa ytan med den halva genomsnittliga fentjockleken. Den resulterande profilen varierade emellertid inte signifikant jämfört med den som erhölls av den minst kvadratiska passformen.

Vidare antar dragprovningen och efterföljande kurvanpassning ett linjärt spännings-töjningsförhållande för små stammar39. Detta antagande är dock inte giltigt för större deformationer, vilket påverkar de beräknade egenfrekvenser som används som indata till FSI-modellen. Ansträngningar för att få en mer exakt FSI-förutsägelse genom att redovisa sådana icke-linjära effekter anses vara utanför nuvarande omfattning men relevanta för framtida studier.

Således har denna studie visat effekten av finstyvhet på bioinspirerade robotfenor och validerat beräkningsmodellerna. Genom att para ihop dessa mätningar av fasta deformationer med samtidig mätning av vätskeflöden som beskrivs i andra PLIF-studier25 kommer framtida studier att förbättra den experimentella analysen av FSI i robotfenor, bioinspirerade mjuka robotar och andra applikationer genom att integrera färgämnen som fluorescerar vid olika våglängder och flera kameror. På grund av den stora användningen av PDMS inom andra forskningsområden24 har denna PLIF-teknik för att visualisera deformationer i flexibla fasta ämnen potential att gynna grupper av forskare inom teknik, fysik, biologi och medicin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Denna forskning stöddes av Office of Naval Research genom ett US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2-basprogram och utfördes medan Kaushik Sampath var anställd vid Acoustics Division vid NRL och Nicole Xu höll ett NRC Research Associateship-pris i laboratorierna för beräkningsfysik och vätskedynamik vid NRL. Författarna vill tacka Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) för teknisk support och vägledning.

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

Bioteknik utgåva 182
Flapping Soft Fin Deformation Modeling med planar laserinducerad fluorescensavbildning
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