نمذجة تشوه الزعانف الناعمة باستخدام التصوير الفلوري المستوي الناجم عن الليزر
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
- Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
- Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
- Springer. . Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , (2007).
- Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
- Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
- Academic Press. . Handbook of Shock Waves. , (2001).
- Yang, W. J. . Handbook of Flow Visualization. , (2018).
- Cowen, E. A., Chang, K. -. A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. . Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
- 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).
- Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. . Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).
- Löhner, R. . Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).
- D20 Committee. . Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).
- Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).
