يتضمن هذا البروتوكول قياس وتوصيف تشوه شكل 3D في زعانف رفرفة تحت الماء مبنية بمواد polydimethylsiloxane (PDMS). يعد إعادة البناء الدقيق لهذه التشوهات أمرا ضروريا لفهم الأداء الدفعي للزعانف الرفرفة المتوافقة.
تم بحث آليات الدفع المستوحاة من زعانف أنواع الأسماك المختلفة بشكل متزايد ، نظرا لإمكاناتها لتحسين قدرات المناورة والتخفي في أنظمة المركبات غير المأهولة. أثبتت المواد اللينة المستخدمة في أغشية آليات الزعانف هذه فعاليتها في زيادة الدفع والكفاءة مقارنة بالهياكل الأكثر صلابة ، ولكن من الضروري قياس ونمذجة التشوهات في هذه الأغشية الناعمة بدقة. تقدم هذه الدراسة سير عمل لتوصيف تشوه الشكل المعتمد على الوقت لزعانف الرفرفة المرنة تحت الماء باستخدام التألق المستوي الناجم عن الليزر (PLIF). يتم تصنيع أغشية زعنفة polydimethylsiloxane المصطبغة ذات الصلابة المتفاوتة (0.38 ميجا باسكال و 0.82 ميجا باسكال) وتركيبها على مجموعة للتشغيل في درجتين من الحرية: الملعب واللفة. يتم الحصول على صور PLIF عبر مجموعة من الطائرات الممتدة ، ومعالجتها للحصول على ملفات تعريف تشوه الزعانف ، ودمجها لإعادة بناء أشكال الزعانف المشوهة 3D المتغيرة زمنيا. ثم يتم استخدام البيانات لتوفير التحقق من صحة عالية الدقة لمحاكاة تفاعل بنية السوائل وتحسين فهم أداء أنظمة الدفع المعقدة هذه.
في الطبيعة ، تطورت العديد من أنواع الأسماك لاستخدام مجموعة متنوعة من حركات الجسم والزعانف لتحقيق الحركة. وقد ساعدت الأبحاث الرامية إلى تحديد مبادئ حركة الأسماك في دفع عجلة تصميم أنظمة الدفع المستوحاة بيولوجيا، حيث عمل علماء الأحياء والمهندسون معا لتطوير آليات دفع وتحكم قادرة من الجيل التالي للمركبات تحت الماء. درست مجموعات بحثية مختلفة تكوينات الزعانف والأشكال والمواد ومعلمات السكتة الدماغية وتقنيات التحكم في انحناء السطح 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . تم توثيق أهمية توصيف توليد دوامة الطرف وميل الاستيقاظ لفهم توليد الدفع في الأنظمة أحادية الزعانف والمتعددة الزعانف في العديد من الدراسات ، سواء الحسابية أو التجريبية13،14،15،16،17،18. بالنسبة لآليات الزعانف المصنوعة من مواد متوافقة ، والتي أظهرت في دراسات مختلفة لتقليل ميل الاستيقاظ وزيادة الدفع17 ، من الضروري أيضا التقاط ونمذجة تاريخها الزمني للتشوه بدقة للاقتران مع تحليل بنية التدفق. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه النتائج للتحقق من صحة النماذج الحسابية، وإبلاغ تصميم الزعانف والتحكم فيها، وتسهيل مجالات البحث النشطة في التحميل الهيدروديناميكي غير المستقر على المواد المرنة، والتي تحتاج إلى التحقق من الصحة19. استخدمت الدراسات تتبع الشكل المباشر عالي السرعة القائم على الصور في زعانف أسماك القرش وغيرها من الأجسام المعقدة20،21،22 ، لكن شكل الزعنفة ثلاثية الأبعاد المعقد غالبا ما يمنع الوصول البصري ، مما يجعل من الصعب قياسه. وبالتالي ، هناك حاجة ملحة لطريقة بسيطة وفعالة لتصور حركة الزعانف المرنة.
ومن المواد المستخدمة على نطاق واسع في آليات الزعانف المتوافقة مادة متعددة الميثيل سيلوكسان (PDMS) بسبب تكلفتها المنخفضة، وسهولة استخدامها، وقدرتها على تغيير صلابتها، وتوافقها مع التطبيقات تحت الماء23، على النحو الموصوف على نطاق واسع في استعراض أجراه ماجيدي وآخرون.24. بالإضافة إلى هذه الفوائد ، فإن PDMS شفاف بصريا أيضا ، مما يؤدي إلى القياسات باستخدام تقنية التشخيص البصري مثل التألق المستوي الناجم عن الليزر (PLIF). تقليديا في ميكانيكا الموائع التجريبية25 ، تم استخدام PLIF لتصور تدفقات السوائل عن طريق بذر السائل بصبغة أو جزيئات معلقة أو الاستفادة من التحولات الكمومية من الأنواع الموجودة بالفعل في التدفق الذي يتألق عند تعرضه لورقة ليزر26,27,28,29. تم استخدام هذه التقنية الراسخة لدراسة ديناميكيات الموائع الأساسية والاحتراق وديناميكيات المحيطات26،30،31،32،33.
في هذه الدراسة ، يتم استخدام PLIF للحصول على قياسات تم حلها مكانيا زمنيا لتشوه الشكل في زعانف روبوتية مرنة مستوحاة من الأسماك. بدلا من بذر السائل بالصبغة ، يتم تصور الحركية تحت الماء لزعنفة PDMS في مقاطع عرضية مختلفة من الحبال. على الرغم من أنه يمكن إجراء التصوير بالليزر المستوي على PDMS المصبوب العادي دون تألق إضافي ، إلا أن تعديل PDMS لتعزيز التألق يمكن أن يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للصور عن طريق تقليل تأثيرات عناصر الخلفية ، مثل أجهزة تركيب الزعانف. يمكن جعل PDMS فلورسنت عن طريق استخدام طريقتين ، إما عن طريق بذر الجسيمات الفلورية أو التصبغ. وقد أفيد أنه بالنسبة لنسبة جزء معينة ، فإن الأول يغير صلابة PDMS34 المصبوب الناتج. لذلك ، تم خلط صبغة غير سامة ومتاحة تجاريا مع PDMS شفافة لصب زعانف الفلورسنت لتجارب PLIF.
لتقديم مثال على استخدام هذه القياسات الحركية للزعنفة للتحقق من صحة النموذج الحسابي ، تتم بعد ذلك مقارنة الحركيات التجريبية بقيم من نماذج تفاعل بنية الموائع المقترنة (FSI) للزعنفة. تستند نماذج FSI المستخدمة في الحسابات إلى الأنماط الذاتية السبعة الأولى التي تم حسابها باستخدام خصائص المواد المقاسة للزعانف. المقارنات الناجحة تتحقق من صحة نماذج الزعانف وتوفر الثقة في استخدام النتائج الحسابية لتصميم الزعانف والتحكم فيها. علاوة على ذلك ، تظهر نتائج PLIF أنه يمكن استخدام هذه الطريقة للتحقق من صحة النماذج العددية الأخرى في الدراسات المستقبلية. يمكن العثور على معلومات إضافية حول نماذج FSI هذه في العمل السابق35,36 وفي النصوص الأساسية لطرق ديناميكيات الموائع الحسابية37,38. يمكن أن تسمح الدراسات المستقبلية أيضا بإجراء قياسات متزامنة للتشوهات الصلبة وتدفقات السوائل لتحسين الدراسات التجريبية ل FSI في الزعانف الروبوتية والروبوتات اللينة المستوحاة بيولوجيا والتطبيقات الأخرى. علاوة على ذلك ، نظرا لأن PDMS وغيرها من اللدائن المتوافقة تستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار والأجهزة الطبية ، فإن تصور التشوهات في المواد الصلبة المرنة باستخدام هذه التقنية يمكن أن يفيد مجتمعا أكبر من الباحثين في الهندسة والفيزياء والبيولوجيا والطب.
عادة ما يستخدم التألق المستوي الناجم عن الليزر لتصور التدفقات المائية عن طريق بذر السائل بالصبغة ، والتي تتألق عند تعرضها لورقة ليزر25,26. ومع ذلك ، لم يتم الإبلاغ عن استخدام PLIF لتصور التشوهات في المواد المتوافقة من قبل ، وتصف هذه الدراسة نهجا للحصول على قياس?…
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا البحث من قبل مكتب البحوث البحرية من خلال برنامج قاعدة 6.2 لمختبر البحوث البحرية الأمريكية (NRL) وتم إجراؤه بينما كان كوشيك سامباث موظفا في قسم الصوتيات في NRL وحصلت نيكول شو على جائزة NRC Research Associateship في مختبرات الفيزياء الحاسوبية وديناميات الموائع في NRL. يود المؤلفون أن ينوه بالدكتور روبن هورتينسيوس (TSI Inc.) على الدعم الفني والتوجيه.
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 |