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 Modellering ved hjælp af Planar Laser-Induceret Fluorescence Imaging

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

Den nuværende protokol involverer måling og karakterisering af 3D-formdeformation i undervandsflappefinner bygget med polydimethylsiloxan (PDMS) materialer. Nøjagtig rekonstruktion af disse deformationer er afgørende for at forstå fremdrivningsevnen af overensstemmende klappefinner.

Abstract

Fremdrivningsmekanismer inspireret af finnerne fra forskellige fiskearter er i stigende grad blevet undersøgt i betragtning af deres potentiale for forbedret manøvrering og stealth-kapacitet i ubemandede køretøjssystemer. Bløde materialer, der anvendes i membranerne i disse finmekanismer, har vist sig effektive til at øge tryk og effektivitet sammenlignet med mere stive strukturer, men det er vigtigt at måle og modellere deformationerne i disse bløde membraner nøjagtigt. Denne undersøgelse præsenterer en arbejdsgang til karakterisering af den tidsafhængige formdeformation af fleksible undervandsklapfinner ved hjælp af plan laserinduceret fluorescens (PLIF). Pigmenterede polydimethylsiloxanfinmembraner med varierende stivheder (0,38 MPa og 0,82 MPa) fremstilles og monteres på en samling til aktivering i to frihedsgrader: tonehøjde og rulle. PLIF-billeder erhverves på tværs af en række spanwise planer, behandles for at opnå findeformationsprofiler og kombineres for at rekonstruere tidsvarierende 3D-deformerede finformer. Dataene bruges derefter til at tilvejebringe validering i høj kvalitet til interaktionssimuleringer mellem væske og struktur og forbedre forståelsen af ydeevnen for disse komplekse fremdriftssystemer.

Introduction

I naturen har mange fiskearter udviklet sig til at bruge en række krops- og finbevægelser for at opnå bevægelse. Forskning for at identificere principperne for fiskebevægelse har bidraget til at drive designet af bioinspirerede fremdrivningssystemer, da biologer og ingeniører har arbejdet sammen om at udvikle dygtige næste generations fremdrivnings- og kontrolmekanismer til undervandskøretøjer. Forskellige forskergrupper har studeret finkonfigurationer, former, materialer, slagparametre og overfladekrumningskontrolteknikker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Betydningen af at karakterisere tip vortex generation og wake tilbøjelighed til at forstå trykgenerering i enkelt- og multi-fin systemer er blevet dokumenteret i adskillige undersøgelser, både beregningsmæssige og eksperimentelle 13,14,15,16,17,18. For finmekanismer lavet af overensstemmende materialer, der er vist i forskellige undersøgelser for at reducere vågenhældning og øge tryk17, er det også vigtigt at fange og nøjagtigt modellere deres deformationstidshistorie for at parre med flowstrukturanalysen. Disse resultater kan derefter bruges til at validere beregningsmodeller, informere findesign og -kontrol og lette aktive forskningsområder i ustabil hydrodynamisk belastning på fleksible materialer, som skalvalideres 19. Undersøgelser har brugt direkte højhastigheds billedbaseret formsporing i hajfinner og andre komplekse objekter 20,21,22, men den komplekse 3D-finform blokerer ofte optisk adgang, hvilket gør det vanskeligt at måle. Der er således et presserende behov for en enkel og effektiv metode til at visualisere fleksibel finbevægelse.

Et materiale, der i vid udstrækning anvendes i kompatible finmekanismer, er polydimethylsiloxan (PDMS) på grund af dets lave omkostninger, brugervenlighed, evne til at variere stivhed og kompatibilitet med undervandsapplikationer23, som beskrevet udførligt i en gennemgang af Majidi et al.24. Ud over disse fordele er PDMS også optisk gennemsigtig, hvilket er befordrende for målinger ved hjælp af en optisk diagnostisk teknik såsom plan laserinduceret fluorescens (PLIF). Traditionelt inden for eksperimentel væskemekanik25 er PLIF blevet brugt til at visualisere væskestrømme ved at så væsken med farvestof eller suspenderede partikler eller drage fordel af kvanteovergange fra arter, der allerede er i strømmen, der fluorescerer, når de udsættes for et laserark 26,27,28,29. Denne veletablerede teknik er blevet brugt til at studere grundlæggende væskedynamik, forbrænding og havdynamik 26,30,31,32,33.

I denne undersøgelse bruges PLIF til at opnå spatiotemporalt opløste målinger af formdeformation i fleksible fiskeinspirerede robotfinner. I stedet for at så væsken med farvestof visualiseres undervandskinematikken i en PDMS-fin ved forskellige akkordvise tværsnit. Selvom plan laserbilleddannelse kan udføres på almindelig støbt PDMS uden yderligere fluorescens, kan ændring af PDMS for at forbedre fluorescens forbedre signal-støj-forholdet (SNR) for billederne ved at reducere virkningerne af baggrundselementer, såsom finmonteringshardwaren. PDMS kan gøres fluorescerende ved at anvende to metoder, enten ved fluorescerende partikelsåning eller pigmentering. Det er blevet rapporteret, at førstnævnte for et givet delforhold ændrer stivheden af den resulterende støbte PDMS34. Derfor blev et ugiftigt, kommercielt tilgængeligt pigment blandet med gennemsigtigt PDMS for at støbe fluorescerende finner til PLIF-eksperimenterne.

For at give et eksempel på anvendelse af disse finkinematikmålinger til validering af beregningsmodeller sammenlignes den eksperimentelle kinematik derefter med værdier fra finnens koblede væske-strukturinteraktionsmodeller (FSI). De FSI-modeller, der anvendes i beregningerne, er baseret på de første syv egentilstande beregnet ved hjælp af de målte materialeegenskaber for finnerne. Vellykkede sammenligninger validerer finmodeller og giver tillid til at bruge beregningsresultaterne til findesign og kontrol. Endvidere viser PLIF-resultaterne, at denne metode kan bruges til at validere andre numeriske modeller i fremtidige undersøgelser. Yderligere oplysninger om disse FSI-modeller kan findes i tidligere arbejde35,36 og i grundlæggende tekster af beregningsvæskedynamikmetoder 37,38. Fremtidige undersøgelser kan også give mulighed for samtidige målinger af faste deformationer og væskestrømme til forbedrede eksperimentelle undersøgelser af FSI i robotfinner, bioinspirerede bløde robotter og andre applikationer. Fordi PDMS og andre kompatible elastomerer i vid udstrækning anvendes på forskellige områder, herunder sensorer og medicinsk udstyr, kan visualisering af deformationer i fleksible faste stoffer ved hjælp af denne teknik desuden gavne et større samfund af forskere inden for teknik, fysik, biologi og medicin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fin fabrikation

  1. Byg en finform baseret på det ønskede formdesign.
    1. Design og byg en brugerdefineret 3D-trykt glans-færdig form af finform (figur 1). Se STL-filer til fremstilling af formen i supplerende kodningsfiler 1-4.
    2. Indsæt strukturelle elementer i formen, såsom en 3D-trykt stiv plastforkantspar. Se STL-filen for spar i Supplerende kodningsfil 2.
  2. Bland PDMS (se Materialetabel) i det ønskede delforhold.
    1. Vælg delforholdet mellem baseelastomer og hærdningsmiddel (dvs. 10:1 eller 20:1) for at opnå henholdsvis højere eller lavere elastisk modul. Vej de tilsvarende mængder base og hærder.
      BEMÆRK: Både 10:1 og 20:1 (elastomer til hærdningsmiddel) blev anvendt i denne undersøgelse.
    2. Det fluorescerende pigment måles (se materialetabellen), således at den samlede blanding indeholder 0,1-1 vægtprocent pigment afhængigt af pigmenteringens ønskede lysstyrke. Tilsæt pigmentet til PDMS-blandingen.
    3. Hæld de målte mængder elastomer, hærder og pigment i en planetarisk centrifugalblander (blandes ved 423 x g i 30 s og afateres ved 465 x g i 30 s) og blandes i overensstemmelse hermed.
  3. Støbt finnen i formen.
    1. Afgas og hæld PDMS-blandingen i formen til finnen. Sæt formen i ovnen ved 70 °C i 45 min, og lad den hærde natten over ved 37 °C.
    2. Når hærdningen er afsluttet, skal du fjerne den støbte finne fra formen (figur 2).
  4. Udfør trækprøvning i 2000 efter ASTM-standarden39.
    1. For hver finne, der er støbt i trin 1.3., støbes en type IV-prøve ved hjælp af den samme PDMS- og pigmentblanding i en type IV-formet form under anvendelse af de tidligere beskrevne trin 1.1.-1.3.
      BEMÆRK: Se STL-filerne til støbning af type IV-prøven i Supplementary Coding File 5 (form vist i figur 1C), og se figur 3 for eksempler på de testede type IV-prøver.
    2. Fastgør prøven i trækprøvningsmaskinen (se materialetabellen). Mål den indledende længde, bredde og tykkelse (mm) af det smalle prøveafsnit.
    3. Testprøven udsættes for spændinger i trin på 5 mm, så det sikres, at prøven kun forbliver strakt i det elastiske område og ikke overstrakt. Reducer spændingen i trin på 5 mm, indtil den samlede prøveforskydning er 0 mm (oprindelig position). Registrer længderne (mm) og kræfterne (N) i det smalle afsnit ved hvert trin.
    4. For at beregne prøvens elastiske modul skal du plotte spændingsbelastningskurven og bestemme den bedste lineære pasform ogR2-værdi .

2. Eksperimentel opsætning og forsøg

  1. Monter PLIF-hardwaren (se materialetabellen) på en rektangulær glasvandtank (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
    1. Monter og brug et pulserende lasersystem (se materialetabel) til at generere et plant lysark, der skærer tanken i midten af planet ved en bestemt frekvens (30 Hz), som vist i figur 4.
    2. Monter og brug et 4 MP CCD-kamera (Charge-Coupled Device) udstyret med et objektiv (35 mm) og et langtpasset fluorescensfilter (560 nm) (se Materialetabellen).
    3. Kalibrer mikrometer-til-pixel-konverteringen ved at tage et enkelt billede fra CCD-kameraet med en lineal placeret i laserarkplanet (figur 5). Vælg to positioner på kameraet, og del afstanden i mikrometer ved at adskille pixels. Sørg for, at dette mikrometer-til-pixel-forhold er lille nok (under millimeter) til applikationen.
  2. Synkroniser laserpulserne og kamerabillederne med den blafrende finne ved hjælp af udløserudgange fra finsoftwaren og signaler fra en forsinkelsesgenerator og tilhørende software (se Tabel over materialer) for at koordinere kameraet, laserhovederne og finnebevægelsen. Se Supplerende figur 1 for et eksempel på indstillingerne for forsinkelsesgeneratorsoftwarens grænseflade.
    1. Indstil lasersystemet.
      BEMÆRK: Sørg for, at alle lasersikkerhedsforanstaltninger er i overensstemmelse med institutionelle retningslinjer.
      1. Tænd for lasersystemet ved at dreje tænd /sluk-tasten til højre for at køre køleren, der køler laserhovederne. Fejllampen blinker, indtil systemet er klar til at drive laserne. Tryk ikke på tænd / sluk-knappen, der tænder laserne, før alle lasertilstande er indstillet korrekt.
      2. Indstil udløserkilden til EXT LAMP/EXT Q-SW (ekstern lampe/ekstern Q-switch).
      3. For begge laserhoveder skal du indstille laserenergien til det ønskede niveau (dvs. ca. 60%-80% af den fulde effekt) og sikre, at Q-kontakten tændes ved at trykke på hver Q-switch-knap .
      4. Tænd laserne ved at trykke på tænd / sluk-knappen.
        BEMÆRK: Da triggerkilden er indstillet til EXT LAMP/EXT Q-SW, er laserhovederne klar til at blive affyret, men affyres først, når systemet modtager en ekstern udløser fra softwaren.
    2. Indstil kameraet.
      1. Sæt strømkablerne i kameraet, og sørg for korrekte tilslutninger til computeren og softwaren.
      2. Åbn kameraindstillingssoftwaren, og vælg den rigtige port.
        1. Under Trigger > Settings skal du indstille "Trigger in:" til External og "Mode:" til Fast.
        2. Under Eksponering skal du indstille "Eksponeringskontrol" til Fra.
      3. Åbn kameraoptagelsessoftwaren, og vælg det rigtige kamerakort.
        1. Klik på knappen Grab Sequence .
        2. Klik på knappen Optagelsesindstillinger , vælg TIFF-billeder, vælg Serie af rammer ..., og vælg den ønskede filsti, 6-cifret nummer, Kontinuerlig og Accepter.
        3. Klik på Start Capture.
          BEMÆRK: Da kameraindstillingerne er indstillet til en ekstern udløser, er kameraet klar til at indsamle billeder, men tager kun disse billeder, når systemet modtager en ekstern udløser fra softwaren.
    3. Indstil forsinkelsesgeneratoren.
      1. Tænd for forsinkelsesgeneratoren, og tilslut den eksterne portkanal til finneudløseren, kanalerne A-D til laseren (A: laserhoved 1, B: Q-switch til laser 1, C: laserhoved 2 og D: Q-switch til laser 2) og kanal E til kameraet.
      2. Åbn forsinkelsesgeneratorsoftwaren.
      3. Vælg "Pulse Mode" til Burst og "Systemopløsning" til 4 ns.
      4. Indstil "Periode(r)" til 0,033333352.
      5. Indstil "Ekstern udløser / gate-tilstand" til udløst, "Tærskel (V)" til 0,20 og "Trigger Edge" som Stigende.
      6. På Kanaler > Ch A skal du klikke på afkrydsningsfeltet Aktiveret . Indstil "Forsinkelse (r)" til 0,000000004, "Bredde (r)" til 0,005000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanaltilstand" til Arbejdscyklus, "Ventetidsantal" til 0, "Synkroniseringskilde" til T0, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til A, "Arbejdscyklus til " til 1, "Arbejdscyklus slukket" til 1 og "Gate-tilstand" til Deaktiveret.
      7. På Kanaler > Ch B skal du klikke på afkrydsningsfeltet Aktiveret . Indstil "Forsinkelse(r)" til 0,000138000, "Bredde(r)" til 0,005000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanaltilstand" til Arbejdscyklus, "Ventetidsantal" til 0, "Synkroniseringskilde" til Ch A, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til B, "Arbejdscyklus til " til 1, "Arbejdscyklus slukket" til 1 og "Gatetilstand" til Deaktiveret.
      8. På Kanaler > Ch C skal du klikke på afkrydsningsfeltet Aktiveret . Indstil "Forsinkelse(r)" til 0,033333304, "Bredde(r)" til 0,005000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanaltilstand" til Arbejdscyklus, "Ventetidsantal" til 0, "Synkroniseringskilde" til Ch A, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til C, "Arbejdscyklus til " til 1, "Arbejdscyklus slukket" til 1 og "Gatetilstand" til Deaktiveret.
      9. På Kanaler > Ch D skal du klikke på afkrydsningsfeltet Aktiveret . Indstil "Forsinkelse (r)" til 0,000138000, "Bredde (r)" til 0,005000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanaltilstand" til Arbejdscyklus, "Ventetidsantal" til 0, "Synkroniseringskilde" til Ch C, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til D, "Arbejdscyklus til " til 1, "Arbejdscyklus slukket" til 1 og "Gate-tilstand" til Deaktiveret.
      10. På Kanaler > Ch E skal du klikke på afkrydsningsfeltet Aktiveret . Indstil "Forsinkelse (er)" til 0,000000004, "Bredde (r)" til 0,005000000, "Amplitude (V)" til 5,00, "Kanaltilstand" til Normal, "Ventetidsantal" til 0, "Synkroniser kilde" til T0, "Polaritet" til Normal, "Multiplexer" til E og "Gate-tilstand" til Deaktiveret.
  3. Juster finnen, så laserpladen passerer gennem en akkordvis sektion af finnen i en valgt spanwise position, og fastgør finneplatformen med monteringshardwaren.
  4. Tilslut strømmen til finstyringshardwaren og finnemotorerne (se Tabel over materialer) for at begynde finflapping med den valgte kinematik, og sluk for alle omgivende lys.
  5. Tryk på Kør i forsinkelsesgeneratorsoftwaren for at starte de synkroniserede eksperimenter og få billeder af skæringspunktet mellem laserarket og finnen gennem hele slagcyklussen. Dette skal udføres over 200+ slagcyklusser.
  6. Tryk på Stop i forsinkelsesgeneratorsoftwaren, og frakobl finnen fra strømkilden.
  7. Flyt finneplatformen, så laserpladen krydser i en ny spanwise position, og udfør eksperimenter for at erhverve billederne igen. Gentag trin 2.3.-2.6. for antallet af ønskede målinger (otte forskellige spanvise positioner, som vist ved de sorte stiplede linjer i figur 2A).
  8. Udskift finnen med yderligere ønskede finnemembraner (to finnestivheder, PDMS 10:1 og PDMS 20:1), og gentag forsøgene.

3. Billedanalyse

  1. For hvert eksperimentelt forsøg, der udføres i trin 2.4., skal du finde den fil, hvor billederne er gemt, og oprette en undermappe for hver finneposition eller fase i hele slagcyklussen. Sorter billedfilerne i deres tilsvarende undermapper.
  2. For hver finfaseundermappe skal du læse de mere end 200 billeder som pixelværdiarrays (imread.m). Sum pixelværdiarrays for alle billederne, og divider med antallet af billeder for at generere et gennemsnitligt billede. Skriv billedet til en ny fil (imwrite.m). Gentag dette trin for hver finneposition i hele slagcyklussen (30 positioner).
  3. Udfør en histogramforbedring på hvert middelbillede (imadjust.m) for at udvide billedernes dynamiske intensitetsområde til det fulde tilgængelige område for at forbedre kontrasten mellem finnen og baggrunden.
  4. Indstil intensitetstærsklerne, og binariser hvert billede for at få et sort-hvidt billede (imbinarize.m). De resulterende hvide former skal svare til stykker af fintværsnittet.
  5. Uddrag alle hvide objekter (finstykker) fra det binære billede (bwareafilt.m), og vis billedet (imshow.m). Opret et spor af den binære billedgrænse for hvert billede for at få en 2D-form ved at vælge alle de fin (hvide) pixels, der berører baggrundspixlerne (sorte) pixels (bwboundaries.m).
    BEMÆRK: På grund af pålagt finkinematik kan visningen af PLIF målt tværsnit i nogle rammer være okkluderet af en anden del af finnen. I sådanne tilfælde er der enten ingen sammenhængende finform, der fremgår af billederne, eller kun forkanten (LE) forbliver synlig (figur 6).
  6. Udfør trin 3.1.-3.5. for hvert finnetværsnit.

4. Rekonstruktion af 3D-afbøjning

  1. Hvis det antages, at LE-positionen (i det mindste tættere på slagaksen) i de fleksible tilfælde er den samme som LE i en stiv fin af samme form, skal du beklæde planskæringerne langs deres LE i samme tidstrin og sammenligne med resultaterne fra den tilsvarende stive finform.
  2. Brug en mindst kvadratisk pasform til at tilnærme den resulterende midterlinjeform af finnetværsnittet til alle planskæringer og rekonstruer 3D-finformen ved hjælp af et forenklet konvekst skrog fra disse monterede profiler.
  3. Sammenlign de resulterende finneformer med 3D FSI-modeller (genereret ud fra deres midterlinjer) for at vise, hvordan denne proces kan bruges som validering i høj nøjagtighed.
    1. Generer en overfladetriangulering af den delvist stive nylon og delvist fleksible PDMS-fin.
    2. Brug en kommerciel strukturdynamiksoftware (se Tabel over materialer) til at opnå egentilstandene for hybridmaterialet.
      1. Udfør skaleringsundersøgelser for at matche steady-state-forskydningen opnået ved hjælp af ensartet trykforskel på finneoverfladerne.
      2. Skaler tilstandene, så de passer til den forskydning, der opnås fra softwaren.
    3. Med den rette skalafaktor skal du bruge de første par dominerende tilstande (normalt 7 eller 8), der anvendes i den koblede FSI-solver, til at simulere den ustabile strøm over den fleksible finne.
      1. Behandl kroppen som en integreret enhed i et baggrundsnet.
        BEMÆRK: Den koblede solver blev valideret til Turek-Hron-problemet med flow over en cirkulær cylinder med et fleksibelt stik bagpå35 og forlænget til flapping finsimuleringer36.
      2. Prescribe kinematikken af finbevægelsen fra eksperimenterne.
      3. Overvåg kraftproduktionens tidshistorie og finnens form langs flere planskæringer gennem flappingcyklussen, og sammenlign med eksperimenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En trapezformet fiskeinspireret kunstig brystfinne blev støbt i to forskellige materialer (PDMS 10:1 og 20:1, begge blandet med fluorescerende farvestof) ud af en form, hver med en stiv forkantspar indsat i den forreste kvartakkord (figur 2 og figur 3). Trækprøvning af de to finnematerialer (figur 3) gav elastiske moduler på henholdsvis 0,38 MPa og 0,82 MPa for PDMS 20:1- og PDMS 10:1-finnerne med enR2 på 0,99 for begge målinger (se supplerende figur 2 for de tilsvarende spændingsbelastningskurver).

For at fange finnens bevægelse blev kameraet placeret således, at mikrometer-til-pixel-forholdet i det fokuserede synsfelt var 125 μm / pixel. En forsinkelsesgenerator blev kablet og programmeret til at udløse laseren og kameraet med 30 lige store tidsintervaller pr. Finneslag baseret på et enkelt udløsersignal i midtpunktet af hvert finneslag. Finnen var placeret således, at laserpladen passerede gennem en akkordvis sektion af finnen. Dette blev gjort for otte spanwise positioner fra 1.876 cm til 13.132 cm fra roden af fingeometrien (figur 2).

For hvert tværsnit blev der opnået 200+ billeder for hver af 30 slagpositioner (faser). Den programmerede kinematik gav en slagamplitude på ±43 ° og en tonehøjdeamplitude på ±17 ° (figur 7A, B). På grund af den uigennemsigtige stive spar var finnetværsnittet ikke synligt på hvert trin (figur 6), men disse okklusioner var sparsomme og påvirkede ikke de samlede 3D-rekonstruktioner. Efter billedsortering, gennemsnit, tærskelværdi, binarisering og sporing blev der konstrueret en 3D-repræsentation. Denne 3D-rekonstruktion blev sammenlignet med resultaterne af FSI-modellen og strukturen af en stiv finmodel. LE-positionen i de fleksible tilfælde blev antaget at være den samme som LE i den stive finne for samme form. Den betydelige reduktion i den samlede stivhed, der gik fra den stive til den bløde fin, resulterede imidlertid i spanwise belastning, hvilket tilføjede en ikke ubetydelig afbøjning sammen med LE for det nuværende design.

Figur 7C,D illustrerer disse sammenligninger på to positioner i slaget, en midt i upstroke (t = 0 s) og en midt i downstroke (t = 0,567 s). Figuren viser den akkordvise krumning induceret af væsketryk på PDMS 10:1-finnen, hvilket fører til en gennemsnitlig normaliseret akkordforskydning af bagkanten ved den længste akkordsektion af forskydning/akkord (d/c) = 0,36 i midten af upstroke og d/c = 0,33 i midten af downstroke, som målt i forsøgene. Dette kan sammenlignes med d/c = 0,44 i midten af upstroke og d/c = 0,39 i midten af downstroke fra CFD-simuleringerne med FSI-modellen. Resultaterne viser også en vis spanwise afbøjning langs forkanten i eksperimenterne, som ikke blev modelleret til simuleringerne.

Yderligere sammenligninger blev foretaget mellem formdeformationerne af PDMS 10: 1 og PDMS 20: 1 finner (figur 8A). Midt i upstroke (t = 0 s,) blev den bageste kantforskydning ved den længste akkordsektion målt som d/c = 0,36 for PDMS 10:1 fin og d/c = 0,51 for PDMS 20:1. Endelig viser figur 8B de rekonstruerede 3D-finformer fra PLIF, FSI og stive tilfælde i midten af opstrøget (t = 0,567s). Dette demonstrerer den nuværende tekniks evne til at levere high-fidelity-validering for FSI-simuleringer.

Ud over målinger af deformationstidshistorikken, som beskrevet tidligere, giver direkte målinger af tryk og mekanisk effekt værdifulde data til analyse af finfremdrivende ydeevne. For den præsenterede kinematik producerede PDMS 10:1-finnen et slaggennemsnit på Fx = 0,51 N, målt med en belastningsmålervejecelle, og en gennemsnitlig samlet effekt på Pm = 2,38 W målt med strøm- og spændingssensorer. Trykkraft og hydrodynamisk effekt beregnet ud fra CFD-simuleringen for PDMS 10:1-feltet gav Fx = 0,50 N og Ph = 0,49 W. PDMS 20:1-finnen producerede et eksperimentelt målt slaggennemsnitligt tryk på Fx = 0,48 N og en gennemsnitlig effekt på Pm = 2,30 W. Den hydrodynamiske effekt udgjorde ca. 20% af den samlede effekt, mens mekaniske tab i motoren var en større bidragyder til strømforbruget. Som sådan kunne forskellene i hydrodynamisk effekt og effektivitet have varieret betydeligt mellem finner med forskellige materialeegenskaber, men den samlede effekt forblev relativt konsistent.

Figure 1
Figur 1: Brugerdefinerede plastforme til støbning af finnerne (A og B) og trækprøveprøver (C). Formene og stive spars til finnerne blev 3D-printet i stiv plast (sort og grå), og finnerne og trækprøverne blev støbt af PDMS blandet med et fluorescerende farvestof (pink). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Bioinspireret finplanformgeometri anvendt i eksperimenter. (A) CAD-model, der illustrerer den stive spar (grå) og PDMS-fin (blå), med stiplede sorte linjer, der angiver de akkordvise tværsnit, der anvendes i plane laserinducerede fluorescensforsøg (PLIF). (B) Fluorescerende PDMS-fin (lyserød) med en stiv plastspar (hvid). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Eksempel på en færdig finne- og trækprøvningsprøve. Støbt PDMS-fin med en sort stiv spar (til venstre) og tre eksempler på type IV-prøver (højre) til trækprøvning for at opnå materialeegenskaberne for hver batch fluorescerende PDMS. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Eksperimentel opsætning. (A) 3D CAD-visning af forsøgsopsætningen med laser og optik, grønt laserark, tank, fin monteret på en platform og kamera. (B) Et eksempelbillede, der viser de monterede finner i tanken, med laseren tændt og et kamera synligt yderst til højre. Selvom to finner er vist i denne tandemfinneopsætning, som kan opnå kinematikken til fremtidige undersøgelser af fin-fin-interaktioner, blev PLIF-målinger kun registreret for den forreste fin i denne undersøgelse. Desuden indeholder billedet omgivende lys for at visualisere opsætningen, men de omgivende lys blev slukket under alle eksperimenter for at forbedre signal-støj-forholdet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Kalibreringsbillede. Før eksperimenterne blev kørt, blev kalibreringsbilleder opnået ved hjælp af en standardlineal til måling af mikrometer-til-pixel-forholdet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Finbilleder af tre tidstrin overlejret, med et repræsentativt eksempel på finokklusion på et trin. Finnetværsnittet er synligt i trin 1 og 3, mens den uigennemsigtige stive spar lukker finnen ved trin 2, hvor et skøn over finnens position er tegnet med gult. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Finkinematik. (A) Slagamplituden (±43 °) og (B) tonehøjdeamplitude (±17 °) af finkinematikken over tid. En sammenligning af PDMS 10:1-finnen (lyseblå), FSI-data for PDMS 10:1-finnen (rød) og stiv fin (sort) for at illustrere forskellen i finnepositioner ved to tidstrin i (C) upstroke og (D) downstroke. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Sammenligning af findeformation. (A) En sammenligning af PLIF-metoden til opnåelse af finkinematik på et eksempel tidstrin for at demonstrere stivhedens virkninger på findeformation. PLIF-målingen for den mere kompatible 20:1 PDMS-fin (mørkeblå) viser mere deformation end den mere stive 10:1 PDMS-fin (lyseblå), og begge viser betydelige forskelle fra en stiv finne (sort). (B) 3D-rekonstruerede finneformer fra PLIF for 10:1 PDMS, FSI for 10:1 PDMS og stive tilfælde på et eksempel på tidstrin for at sammenligne overfladepasningerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Softwaregrænseflade til forsinkelsesgeneratoren. Brugergrænsefladerne til software til styring af forsinkelsesgeneratoren med indstillinger til at producere PLIF-billeder ved 30 Hz ved at koordinere timingen af de to laserhoveder og kameraet med finneudløseren. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 2: Træktestresultater for PDMS. Spændingsbelastningskurver for to blandinger af PDMS (20: 1, en mere fleksibel blanding med et elastisk modul på 0,38 MPa og 10: 1, en mere stiv blanding med et elastisk modul på 0,82 MPa). Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende kodningsfil 1: "Assembly2.stl" er en samling af filer til 3D-udskrivning af de brugerdefinerede finforme. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende kodningsfil 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" er STL-filen til udskrivning af finindsatsen, en stiv del af finnen, der fungerer som vedhæftning til servoen. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende kodningsfil 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" er den venstre halvdel af 3D-printformen til den fleksible finne.

Supplerende kodningsfil 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" er den højre halvdel af 3D-printformen til den fleksible finne.

Supplerende kodningsfil 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" er 3D-printformen til at skabe type IV-prøver til trækprøvning. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Plan laserinduceret fluorescens bruges typisk til at visualisere vandige strømme ved at så væsken med farvestof, som fluorescerer, når den udsættes for et laserark 25,26. Brug af PLIF til at visualisere deformationer i kompatible materialer er imidlertid ikke tidligere blevet rapporteret, og denne undersøgelse beskriver en tilgang til opnåelse af tidshistoriske målinger af formdeformation i høj opløsning i fleksible faste finner ved hjælp af PLIF. Sammenligning af disse finmålinger med FSI-simuleringer validerer de numeriske modeller og giver yderligere tillid til at bruge beregningsresultater til findesign og kontrol.

Blandt PLIF's begrænsninger for overensstemmende materialer inkluderer deformationskarakterisering okklusion på grund af uigennemsigtige elementer i strukturen (den førende stive spar i denne undersøgelse). Derudover påvirkes PLIF-teknikken af total intern refleksion (TIR), som opstår, når lysets lokale indfaldsvinkel ved PDMS-vand-grænsefladen overstiger den tilhørende kritiske værdi. Selvom de støbte PDMS-finner er optisk gennemsigtige, har de et meget højere brydningsindeks (1,49) end vand (1,33), hvilket fører til optisk forvrængning og okklusion med en kritisk vinkel på 63,5 °. Derfor, når der er en stor deformation (f.eks. nær enderne af finnerne i denne undersøgelse), kan den lokale incidensvinkel overstige 63,5 °. Derfor reflekteres den indfaldende laserstråle tilbage i finnen, hvilket resulterer i et meget større "fluorescerende område" på det optagne billede, hvilket påvirker billedkvaliteten og formerne detekteret fra denne teknik. En metode til at løse dette problem for fremtidige undersøgelser er at anvende en optisk indeksmatchet arbejdsvæske, såsom natriumiodid (NaI) opløsning40. Dette anses dog for at være uden for rammerne af denne undersøgelse, da dette problem ikke påvirker de fleste fintværsnit.

Hvis optisk indeksmatchning ikke er mulig, kan koncentrationen af fluorescerende pigment under støbning justeres for at afbøde denne effekt. Højere koncentrationer af det fluorescerende farvestof kan forbedre SNR, men hvis der er for meget pigment, og finens krumning (afbøjning) er høj, kan effekten af den interne refleksion være for stærk. Dette kan medføre billedudvidelse for disse profiler. Derudover bør der gøres stærke overvejelser for at bestemme den optimale laserindfaldsvinkel med hensyn til den forventede dominerende afbøjning (hvis nogen) for at minimere effekten af interne refleksioner. For at illustrere varierer tværsnitsprofilerne for op- og nedstrøgene. I sidstnævnte, da lyset brydes gennem LE-siden af finnen, gennemgik det flere interne refleksioner på efterfølgende akkordvise steder, hvilket gjorde profilformen signifikant udvidet. For upstroke interagerede det indfaldende lys ikke med de stive eller fleksible dele af finnerne mere end én gang, hvilket resulterede i en skarp profil. Denne variation forhindrer en generel profilmaske i at blive algoritmisk genereret, da omfanget af transmission og refleksion også varierer i løbet af slagtilfældecyklussen. Selvom billedanalysen betragter en dynamisk tærskel for at løse dette, er det stadig udfordrende at generere en tværsnitskonvolut automatisk.

Den konkave overflade er mere tilbøjelig til interne refleksioner end den konvekse side. Derfor blev en alternativ tilgang til opnåelse af en mere præcis midterlinjeprofil undersøgt ved at udligne den konvekse overflade med den halvmiddelformede fintykkelse. Den resulterende profil varierede imidlertid ikke signifikant i forhold til den, der blev opnået ved den mindst firkantede pasform.

Desuden antager trækprøvningen og den efterfølgende kurvetilpasning et lineært spændings-belastningsforhold for små stammer39. Denne antagelse gælder imidlertid ikke for større deformationer, hvilket påvirker de beregnede egenfrekvenser, der anvendes som input til FSI-modellen. Bestræbelser på at opnå en mere præcis FSI-forudsigelse ved at tage højde for sådanne ikke-lineære virkninger anses for at være uden for det nuværende anvendelsesområde, men relevante for fremtidige undersøgelser.

Således har denne undersøgelse vist effekten af finstivhed på bioinspirerede robotfinner og valideret beregningsmodellerne. Ved at parre disse målinger af faste deformationer med samtidig måling af væskestrømme som beskrevet i andre PLIF-undersøgelser25 vil fremtidige undersøgelser forbedre den eksperimentelle analyse af FSI i robotfinner, bioinspirerede bløde robotter og andre applikationer ved at integrere farvestoffer, der fluorescerer ved forskellige bølgelængder og flere kameraer. På grund af den brede anvendelse af PDMS på andre forskningsområder24 har denne PLIF-teknik til visualisering af deformationer i fleksible faste stoffer potentialet til at gavne forskersamfund inden for teknik, fysik, biologi og medicin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af Office of Naval Research gennem et US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 baseprogram og udført, mens Kaushik Sampath var medarbejder i Acoustics Division ved NRL og Nicole Xu havde en NRC Research Associateship award i Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics ved NRL. Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) for teknisk support og vejledning.

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

Bioengineering udgave 182
Flapping Soft Fin Deformation Modellering ved hjælp af Planar Laser-Induceret Fluorescence Imaging
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