قياس قوة دينامية تصرف المحطة المياه ستردير القفز إلى أعلى من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF
Summary
البروتوكول هنا مكرس للتحقيق الحر والمناورة السريعة من ستردير الماء على سطح الماء. ويتضمن البروتوكول مراقبة المجهرية الأرجل وقياس قوة الالتصاق عند الخروج إلى سطح الماء بسرعات مختلفة.
Abstract
هذه الدراسة تهدف إلى جعل تفسيراً لهذه الظاهرة في الطبيعة أن ستردير المياه عادة ما يقفز أو الانزلاقات على سطح الماء بسهولة ولكن بسرعة، مع تحرك الذروة سرعة تصل إلى 150 سم/ثانية. أولاً وقبل كل شيء، أننا لاحظنا المجهرية والتسلسل الهرمي للساقين ستردير المياه باستخدام المسح الإلكتروني المجهري. على أساس الملاحظة مورفولوجية الساقين، أنشئ نموذج نظري للمفرزة من سطح الماء، مما يفسر قدرة المياه striders الانزلاق على سطح الماء دون عناء من حيث الحد من الطاقة. ثانيا، وضع نظام لقياس قوة دينامية استخدام الاستشعار الفيلم PVDF مع حساسية ممتازة، التي يمكن الكشف عن عملية التفاعل كله. وفي وقت لاحق، سحبت ساق واحدة عند اتصالها بالماء إلى أعلى سرعات مختلفة، وتم قياس قوة الالتصاق في نفس الوقت. وأشارت نتائج التجربة المغادرين على فهم عميق للقفز بسرعة من striders المياه.
Introduction
في الطبيعة، striders المياه تمتلك قدرة رائعة القفز أو تنزلق بسهولة وسرعة على سطح الماء بالمساعدة من سيقان نحيلة ونونويتينج1،2،3،،من45 ولكن نادراً ما تتحرك ببطء، وهو على خلاف الحشرات البرية. الهيكل الهرمي للمياه ستردير تستقر الدولة سوبيرهيدروفوبيك، مما يجعل الانخفاض الهائل في قوة المنطقة والالتصاق الاتصال بين المياه والساق6،،من78، 9-ومع ذلك، تظل مزايا هيدرودينامية فك الارتباط السريع من striders المياه من سطح الماء سوء تفسير10،،من1112.
عملية قفز من سطح الماء أساسا تنقسم إلى ثلاث مراحل13،،،من1415،16. في البداية، دفع المياه ستريديرس سطح الماء إلى الأسفل مع الساقين الأوسط والخلفي لتحويل الطاقة البيولوجية إلى الطاقة السطحية من الماء حتى غرق للحد الأقصى للعمق، التي تمكن الحشرة تهيئة باتجاه القفز وتحديد سرعة ديتاتشينج. تليها مرحلة تصاعدي، الحشرة يدفع إلى أعلى بقوة على سطح الماء منحنى الشعرية حتى تصل إلى السرعة القصوى. في مرحلة فض الاشتباك الأخير، لا تزال ستردير المياه ترتفع بالقصور الذاتي حتى كسر بعيداً عن سطح الماء، ولكن يتم تقليل السرعة إلى حد كبير بسبب قوة التصاق مع الماء، والتي لها التأثير الرئيسي على استهلاك الطاقة ستردير المياه. ومن ثم، يقترح هذا البروتوكول لقياس قوة الالتصاق في سرعات مختلفة الانطلاق في مرحلة فض الاشتباك وشرح سمة مميزة للتحرك بسرعة.
وهناك العديد من الدراسات لاستكشاف قوة التصاق striders المياه عند دفع من سطح الماء. لي وكيم نظرياً وتجريبيا وأكدت أن قوة التصاق والطاقة يتطلب رفع الساقين ستردير المياه لانخفض بشكل كبير عندما زادت زاوية الاتصال إلى 160 درجة17. وي جين عموم تصميم تجربة الهيدروليكي لقياس قوة الالتصاق بالنظام تريبوسكوبي، الذي وجد أن 1/5 وزن 18. هوانغ كيهتشيه تحليل عملية شبه ثابتة في الساقين فصلها من الماء مع نموذج 2D والعثور على سوبيرهيدروفوبيسيتي في الساقين لعبت دوراً هاما في تقليل التصاق القوة والطاقة تبديد19. ومع ذلك، كان قياس قوة الالتصاق في الدراسات السابقة فقط في حالة عملية شبه ثابت، وقادر على رصد التغيرات قوة الالتصاق أثناء القفز بسرعة.
في هذه الدراسة، قمنا بتصميم نظام لقياس قوة دينامية استخدام الاستشعار الفيلم الفلوريد (PVDF) الفينيليدن وأخرى صك adjuvant. بالمقارنة مع غيرها من المواد كهرضغطية، PVDF أكثر ملاءمة لقياس ميكروفورسي الحيوية مع ارتفاع حساسية20،،من2122. بإدماج الاستشعار الفيلم PVDF في النظام، ويمكن الكشف عن قوة الالتصاق في الوقت الحقيقي ومعالجة عند الساق تم سحب ما يصل من المياه السطحية23،،من2425.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا البروتوكول، نظام لقياس قوة دينامية استناداً إلى أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF تم بنجاح وضع، تجميعها، معايرة قياس قوة الالتصاق بعيداً عن سطح الماء. ومن بين الخطوات كلها، من الأهمية بمكان أن قوة التصاق تم قياس سرعات مختلفة برفع الساق من على سطح المياه كهذه الدراسة ركزت على السمة الملحوظ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون الوطني لبحوث التكنولوجيا مفتاح وبرنامج التنمية لوزارة العلوم والتكنولوجيا في الصين (رقم 2011BAK15B06) لدعمهم. أشكر تشوانغ شوايا الذي طالب الماجستير من مختبرنا لمساعدتنا على إتمام تصوير فيديو.
Materials
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm – 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
References
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698 (2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature’s design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
