מידול דפורמציה של סנפיר רך מתנפנף באמצעות הדמיה פלואורסצנטית הנגרמת על ידי לייזר מישורי
Summary
הפרוטוקול הנוכחי כולל מדידה ואפיון של דפורמציה של צורה תלת-ממדית בסנפירי מתנפנף מתחת למים הבנויים מחומרים פולידימתילסילוקסן (PDMS). שחזור מדויק של עיוותים אלה חיוני להבנת הביצועים ההנעה של סנפירי מתנפנפים תואמים.
Abstract
מנגנוני הנעה בהשראת סנפירי מיני דגים שונים נחקרו יותר ויותר, בהתחשב בפוטנציאל שלהם לשיפור יכולות התמרון וההתגנבות במערכות כלי רכב בלתי מאוישים. חומרים רכים המשמשים בממברנות של מנגנוני סנפיר אלה הוכחו כיעילים בהגברת הדחף והיעילות בהשוואה למבנים קשיחים יותר, אך חיוני למדוד ולדגום את העיוותים בממברנות רכות אלה במדויק. מחקר זה מציג זרימת עבודה לאפיון עיוות הצורה התלוי בזמן של סנפירי מתנפנפים תת-ימיים גמישים באמצעות פלואורסצנציה הנגרמת על ידי לייזר מישורי (PLIF). ממברנות סנפיר פולידימתילסילוקסן פיגמנטיות עם נוקשות משתנה (0.38 MPa ו-0.82 MPa) מיוצרות ומורכבות למכלול להפעלה בשתי דרגות חופש: גובה הצליל והגליל. תמונות PLIF נרכשות על פני מגוון של מישורים רוחביים, מעובדות כדי לקבל פרופילי דפורמציה של סנפירים, ומשולבות כדי לשחזר צורות סנפירים מעוותות בתלת-ממד המשתנות בזמן. הנתונים משמשים לאחר מכן כדי לספק אימות בנאמנות גבוהה עבור סימולציות אינטראקציה של מבנה נוזל ולשפר את ההבנה של הביצועים של מערכות הנעה מורכבות אלה.
Introduction
בטבע, מיני דגים רבים התפתחו כדי להשתמש במגוון תנועות גוף וסנפירים כדי להשיג תנועה. מחקר לזיהוי העקרונות של תנועת דגים סייע להניע את התכנון של מערכות הנעה ביולוגיות, כאשר ביולוגים ומהנדסים עבדו יחד כדי לפתח מנגנוני הנעה ובקרה מסוגלים של הדור הבא עבור כלי רכב תת-ימיים. קבוצות מחקר שונות חקרו תצורות סנפירים, צורות, חומרים, פרמטרים של שבץ וטכניקות בקרת עקמומיות פני השטח 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . החשיבות של אפיון יצירת מערבולות קצה ונטיית ההתעוררות להבין את יצירת הדחף במערכות חד-סנפיריות ורב-סנפיריות תועדה במחקרים רבים, הן חישוביים והן ניסיוניים 13,14,15,16,17,18. עבור מנגנוני סנפיר העשויים מחומרים תואמים, המוצגים במחקרים שונים כדי להפחית את נטיית ההתעוררות ולהגדיל את דחף17, חיוני גם ללכוד ולדגום במדויק את היסטוריית זמן העיוות שלהם כדי להתאים לניתוח מבנה הזרימה. לאחר מכן ניתן להשתמש בתוצאות אלה כדי לאמת מודלים חישוביים, ליידע על תכנון ובקרת סנפירים, ולהקל על תחומי מחקר פעילים בטעינה הידרודינמית לא יציבה על חומרים גמישים, הזקוקים לאימות19. מחקרים השתמשו במעקב ישיר אחר צורות מבוססות תמונה במהירות גבוהה בסנפירי כרישים ובעצמים מורכבים אחרים20,21,22, אך צורת הסנפיר התלת-ממדית המורכבת חוסמת לעתים קרובות את הגישה האופטית, מה שמקשה על המדידה. לפיכך, יש צורך דחוף בשיטה פשוטה ויעילה כדי לדמיין תנועת סנפיר גמישה.
חומר הנמצא בשימוש נרחב במנגנוני סנפיר תואמים הוא פולידימתילסילוקסן (PDMS) בשל עלותו הנמוכה, קלות השימוש, יכולתו לשנות נוקשות ותאימות ליישומים תת-ימיים23, כפי שתואר בהרחבה בסקירה של מג’ידי ואחרים. בנוסף ליתרונות אלה, PDMS הוא גם שקוף מבחינה אופטית, אשר תורם למדידות באמצעות טכניקת אבחון אופטית כגון פלואורסצנציה הנגרמת על ידי לייזר מישורי (PLIF). באופן מסורתי במכניקת זורמים ניסיונית25, PLIF שימש כדי לדמיין זרימות זורמים על ידי זריעת הנוזל עם צבע או חלקיקים מרחפים או ניצול מעברים קוונטיים ממינים שכבר נמצאים בזרימה שפליאה כאשר הם נחשפים ליריעת לייזר 26,27,28,29. טכניקה מבוססת היטב זו שימשה לחקר דינמיקת נוזלים בסיסית, בעירה ודינמיקה באוקיינוס 26,30,31,32,33.
במחקר הנוכחי, PLIF משמש להשגת מדידות מרחביות-טמפורליות של עיוות צורה בסנפירים רובוטיים גמישים בהשראת דגים. במקום לזרוע את הנוזל עם צבע, הקינמטיקה התת-ימית של סנפיר PDMS מוצגת בחתכים שונים של אקורדים. למרות שניתן לבצע הדמיית לייזר מישורית על PDMS יצוק רגיל ללא פלואורסצנציה נוספת, שינוי PDMS כדי לשפר את הפלואורסצנציה יכול לשפר את יחס האות לרעש (SNR) של התמונות על ידי הפחתת ההשפעות של רכיבי הרקע, כגון חומרת ההרכבה של הסנפיר. ניתן להפוך את PDMS לפלואורסצנטי על ידי שימוש בשתי שיטות, בין אם על ידי זריעת חלקיקים פלואורסצנטיים או פיגמנטציה. דווח כי עבור יחס חלק נתון, הראשון משנה את הנוקשות של PDMS34 יצוק וכתוצאה מכך. לכן, פיגמנט לא רעיל, זמין מסחרית, היה מעורבב עם PDMS שקוף כדי ליצוק סנפירים פלואורסצנטיים עבור ניסויי PLIF.
כדי לספק דוגמה לשימוש במדידות קינמטיקה של סנפירים אלה לאימות מודלים חישוביים, הקינמטיקה הניסויית מושווית לערכים מהמודלים של אינטראקציה מצומדת-מבנה-נוזל (FSI) של הסנפיר. מודלי ה-FSI המשמשים בחישובים מבוססים על שבעת ה-eigenmodes הראשונים שחושבו באמצעות תכונות החומר הנמדד עבור הסנפירים. השוואות מוצלחות מאמתות מודלים של סנפירים ומספקות ביטחון בשימוש בתוצאות החישוביות לצורך תכנון ובקרה של סנפירים. יתר על כן, תוצאות PLIF מראות כי ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לאמת מודלים נומריים אחרים במחקרים עתידיים. מידע נוסף על מודלים אלה של FSI ניתן למצוא בעבודה קודמת35,36 ובטקסטים בסיסיים של שיטות חישוביות של דינמיקת זורמים37,38. מחקרים עתידיים יכולים גם לאפשר מדידות בו-זמניות של עיוותים מוצקים וזרימת נוזלים למחקרים ניסיוניים משופרים של FSI בסנפירים רובוטיים, רובוטים רכים בעלי השראה ביולוגית ויישומים אחרים. יתר על כן, מכיוון ש- PDMS ואלסטומרים תואמים אחרים נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים, כולל חיישנים ומכשירים רפואיים, הדמיית דפורמציות במוצקים גמישים באמצעות טכניקה זו יכולה להועיל לקהילה גדולה יותר של חוקרים בהנדסה, פיזיקה, ביולוגיה ורפואה.
Protocol
Representative Results
Discussion
פלואורסצנציה מישורית המושרה בלייזר משמשת בדרך כלל להדמיית זרימות מימיות על ידי זריעת הנוזל עם צבע, אשר פלואורסצנטי כאשר הוא נחשף ליריעת לייזר25,26. עם זאת, השימוש ב- PLIF כדי לדמיין עיוותים בחומרים תואמים לא דווח בעבר, ומחקר זה מתאר גישה להשגת מדידות היסטוריית ז…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי המשרד למחקר ימי באמצעות תוכנית בסיס 6.2 של מעבדת המחקר הימית של ארה”ב (NRL) ובוצע בזמן שקושיק סמפאת היה עובד בחטיבת האקוסטיקה ב- NRL וניקול שו החזיקה בפרס עמית מחקר NRC במעבדות לפיזיקה חישובית ודינמיקת נוזלים ב- NRL. המחברים רוצים להודות לד”ר רובן הורטנסיוס (TSI Inc.) על תמיכה טכנית והדרכה.
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).
