Modélisation de la déformation des ailettes molles à l’aide de l’imagerie par fluorescence induite par laser planaire
Summary
Le présent protocole implique la mesure et la caractérisation de la déformation de forme 3D dans les ailettes battantes sous-marines construites avec des matériaux polydiméthylsiloxane (PDMS). Une reconstruction précise de ces déformations est essentielle pour comprendre les performances propulsives des ailettes battantes conformes.
Abstract
Les mécanismes propulsifs inspirés des nageoires de diverses espèces de poissons ont été de plus en plus étudiés, compte tenu de leur potentiel d’amélioration des capacités de manœuvre et de furtivité dans les systèmes de véhicules sans pilote. Les matériaux mous utilisés dans les membranes de ces mécanismes d’ailettes se sont révélés efficaces pour augmenter la poussée et l’efficacité par rapport aux structures plus rigides, mais il est essentiel de mesurer et de modéliser avec précision les déformations de ces membranes molles. Cette étude présente un flux de travail pour caractériser la déformation de forme dépendante du temps des ailettes de battement sous-marines flexibles à l’aide de la fluorescence planaire induite par laser (PLIF). Des membranes pigmentées d’ailettes de polydiméthylsiloxane avec des rigidités variables (0,38 MPa et 0,82 MPa) sont fabriquées et montées sur un ensemble pour l’actionnement à deux degrés de liberté: tangage et roulis. Les images PLIF sont acquises sur une gamme de plans spanwise, traitées pour obtenir des profils de déformation des ailettes et combinées pour reconstruire des formes d’ailettes déformées 3D variant dans le temps. Les données sont ensuite utilisées pour fournir une validation haute fidélité pour les simulations d’interaction fluide-structure et améliorer la compréhension des performances de ces systèmes de propulsion complexes.
Introduction
Dans la nature, de nombreuses espèces de poissons ont évolué pour utiliser une variété de mouvements du corps et des nageoires pour atteindre la locomotion. La recherche visant à identifier les principes de la locomotion des poissons a contribué à la conception de systèmes de propulsion bioinspirés, car les biologistes et les ingénieurs ont travaillé ensemble pour développer des mécanismes de propulsion et de contrôle de nouvelle génération capables pour les véhicules sous-marins. Divers groupes de recherche ont étudié les configurations d’ailettes, les formes, les matériaux, les paramètres de course et les techniques de contrôle de la courbure de surface 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . L’importance de caractériser la génération de vortex de pointe et l’inclinaison du sillage pour comprendre la génération de poussée dans les systèmes à une ou plusieurs nageoires a été documentée dans de nombreuses études, à la fois computationnelles et expérimentales 13,14,15,16,17,18. Pour les mécanismes d’ailettes fabriqués à partir de matériaux conformes, montrés dans diverses études pour réduire l’inclinaison du sillage et augmenter la poussée17, il est également essentiel de capturer et de modéliser avec précision leur historique de déformation pour les associer à l’analyse de la structure d’écoulement. Ces résultats peuvent ensuite être utilisés pour valider des modèles informatiques, éclairer la conception et le contrôle des ailettes et faciliter les domaines de recherche actifs dans des charges hydrodynamiques instables sur des matériaux flexibles, qui nécessitent une validation19. Des études ont utilisé le suivi direct de la forme basé sur l’image à grande vitesse dans les ailerons de requin et d’autres objets complexes 20,21,22, mais la forme complexe des ailerons 3D bloque souvent l’accès optique, ce qui le rend difficile à mesurer. Ainsi, il existe un besoin pressant d’une méthode simple et efficace pour visualiser le mouvement flexible des ailettes.
Un matériau largement utilisé dans les mécanismes d’ailettes conformes est le polydiméthylsiloxane (PDMS) en raison de son faible coût, de sa facilité d’utilisation, de sa capacité à varier la rigidité et de sa compatibilité avec les applications sous-marines23, comme décrit en détail dans une revue de Majidi et al.24. En plus de ces avantages, le PDMS est également optiquement transparent, ce qui est propice aux mesures utilisant une technique de diagnostic optique telle que la fluorescence planaire induite par laser (PLIF). Traditionnellement dans le cadre de la mécanique expérimentale des fluides25, PLIF a été utilisé pour visualiser les écoulements de fluide en ensemençant le fluide avec du colorant ou des particules en suspension ou en tirant parti des transitions quantiques d’espèces déjà dans le flux qui fluorescent lorsqu’elles sont exposées à une feuille laser 26,27,28,29. Cette technique bien établie a été utilisée pour étudier la dynamique fondamentale des fluides, la combustion et la dynamique des océans 26,30,31,32,33.
Dans la présente étude, PLIF est utilisé pour obtenir des mesures spatio-temporellement résolues de la déformation de la forme dans des nageoires robotiques flexibles inspirées des poissons. Au lieu d’ensemencer le fluide avec du colorant, la cinématique sous-marine d’une nageoire PDMS est visualisée à différentes sections transversales d’accords. Bien que l’imagerie laser planaire puisse être effectuée sur des PDMS coulés réguliers sans fluorescence supplémentaire, la modification du PDMS pour améliorer la fluorescence peut améliorer le rapport signal/bruit (SNR) des images en réduisant les effets des éléments d’arrière-plan, tels que le matériel de montage des ailettes. Le PDMS peut être rendu fluorescent en utilisant deux méthodes, soit par ensemencement de particules fluorescentes, soit par pigmentation. Il a été rapporté que, pour un rapport de pièce donné, le premier modifie la rigidité du PDMScoulé résultant 34. Par conséquent, un pigment non toxique disponible dans le commerce a été mélangé à du PDMS transparent pour couler des ailettes fluorescentes pour les expériences PLIF.
Pour fournir un exemple d’utilisation de ces mesures cinématiques d’ailettes pour la validation de modèles informatiques, la cinématique expérimentale est ensuite comparée aux valeurs des modèles d’interaction fluide-structure couplée (FSI) de la nageoire. Les modèles FSI utilisés dans les calculs sont basés sur les sept premiers modes propres calculés à l’aide des propriétés des matériaux mesurées pour les ailettes. Des comparaisons réussies valident les modèles d’ailettes et donnent confiance dans l’utilisation des résultats de calcul pour la conception et le contrôle des ailettes. De plus, les résultats du PLIF démontrent que cette méthode peut être utilisée pour valider d’autres modèles numériques dans de futures études. Des informations supplémentaires sur ces modèles FSI peuvent être trouvées dans des travaux antérieurs35,36 et dans des textes fondamentaux de méthodes computationnelles de dynamique des fluides37,38. Les études futures peuvent également permettre des mesures simultanées des déformations solides et des écoulements de fluides pour améliorer les études expérimentales du FSI dans les ailettes robotiques, les robots mous bioinspirés et d’autres applications. En outre, étant donné que le PDMS et d’autres élastomères compatibles sont largement utilisés dans divers domaines, y compris les capteurs et les dispositifs médicaux, la visualisation des déformations dans les solides flexibles à l’aide de cette technique peut bénéficier à une plus grande communauté de chercheurs en ingénierie, physique, biologie et médecine.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fluorescence plane induite par laser est généralement utilisée pour visualiser les écoulements aqueux en ensemençant le fluide avec un colorant, qui fluoresce lorsqu’il est exposé à une feuille laser25,26. Cependant, l’utilisation de PLIF pour visualiser les déformations dans les matériaux conformes n’a pas été rapportée auparavant, et cette étude décrit une approche pour obtenir des mesures d’historique temporel de la déformation de for…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été soutenue par l’Office of Naval Research dans le cadre d’un programme de base 6.2 du US Naval Research Laboratory (NRL) et a été réalisée alors que Kaushik Sampath était un employé de la division acoustique de la NRL et que Nicole Xu détenait un prix d’associé de recherche du CNRC dans les Laboratoires de physique computationnelle et de dynamique des fluides de la NRL. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Ruben Hortensius (TSI Inc.) pour son soutien technique et ses conseils.
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 |
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