प्लैनर लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति इमेजिंग का उपयोग कर नरम फिन विरूपण मॉडलिंग फड़फड़ाना
Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल में पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) सामग्री के साथ निर्मित पानी के नीचे फड़फड़ाने वाले पंखों में 3 डी आकार विरूपण का माप और लक्षण वर्णन शामिल है। इन विरूपणों का सटीक पुनर्निर्माण अनुपालन फड़फड़ाने वाले पंखों के प्रोपल्सिव प्रदर्शन को समझने के लिए आवश्यक है।
Abstract
विभिन्न मछली प्रजातियों के पंखों से प्रेरित प्रोपल्सिव तंत्र पर तेजी से शोध किया गया है, मानव रहित वाहन प्रणालियों में बेहतर पैंतरेबाज़ी और चुपके क्षमताओं के लिए उनकी क्षमता को देखते हुए। इन फिन तंत्रों की झिल्ली में उपयोग की जाने वाली नरम सामग्री अधिक कठोर संरचनाओं की तुलना में जोर और दक्षता बढ़ाने में प्रभावी साबित हुई है, लेकिन इन नरम झिल्ली में विरूपणों को सटीक रूप से मापना और मॉडल करना आवश्यक है। यह अध्ययन प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति (PLIF) का उपयोग करके लचीले पानी के नीचे फड़फड़ाने वाले पंखों के समय-निर्भर आकार विरूपण की विशेषता के लिए एक वर्कफ़्लो प्रस्तुत करता है। पिगमेंटेड polydimethylsiloxane फिन झिल्ली अलग-अलग कठोरता (0.38 MPa और 0.82 MPa) के साथ गढ़े जाते हैं और स्वतंत्रता के दो डिग्री में एक्चुएशन के लिए एक असेंबली में घुड़सवार होते हैं: पिच और रोल। PLIF छवियों spanwise विमानों की एक श्रृंखला भर में अधिग्रहित कर रहे हैं, फिन विरूपण प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए संसाधित, और समय-अलग 3 डी विकृत पंख आकृतियों के पुनर्निर्माण के लिए संयुक्त. डेटा का उपयोग तब द्रव-संरचना इंटरैक्शन सिमुलेशन के लिए उच्च-निष्ठा सत्यापन प्रदान करने और इन जटिल प्रणोदन प्रणालियों के प्रदर्शन की समझ में सुधार करने के लिए किया जाता है।
Introduction
प्रकृति में, कई मछली प्रजातियां लोकोमोशन प्राप्त करने के लिए विभिन्न प्रकार के शरीर और पंख गतियों का उपयोग करने के लिए विकसित हुई हैं। मछली लोकोमोशन के सिद्धांतों की पहचान करने के लिए अनुसंधान ने जैव-प्रेरित प्रणोदन प्रणालियों के डिजाइन को चलाने में मदद की है, क्योंकि जीवविज्ञानी और इंजीनियरों ने पानी के नीचे के वाहनों के लिए सक्षम अगली पीढ़ी के प्रणोदन और नियंत्रण तंत्र विकसित करने के लिए एक साथ काम किया है। विभिन्न शोध समूहों ने फिन कॉन्फ़िगरेशन, आकार, सामग्री, स्ट्रोक पैरामीटर, और सतह वक्रता नियंत्रण तकनीकों का अध्ययन कियाहै 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . एकल और बहु-फिन प्रणालियों में जोर पीढ़ी को समझने के लिए टिप भंवर पीढ़ी और जागने के झुकाव की विशेषता के महत्व को कम्प्यूटेशनल और प्रयोगात्मक दोनों 13,14,15,16,17,18 में कई अध्ययनों में प्रलेखित किया गया है। अनुरूप सामग्री से बने फिन तंत्र के लिए, जागने के झुकाव को कम करने औरजोर 17 बढ़ाने के लिए विभिन्न अध्ययनों में दिखाया गया है, प्रवाह संरचना विश्लेषण के साथ जोड़ी बनाने के लिए उनके विरूपण समय-इतिहास को कैप्चर करना और सटीक रूप से मॉडल करना भी आवश्यक है। इन परिणामों का उपयोग तब कम्प्यूटेशनल मॉडल को मान्य करने, फिन डिजाइन और नियंत्रण को सूचित करने और लचीली सामग्रियों पर अस्थिर हाइड्रोडायनामिक लोडिंग में सक्रिय अनुसंधान क्षेत्रों की सुविधा प्रदान करने के लिए किया जा सकता है, जिन्हें सत्यापन19 की आवश्यकता होती है। अध्ययनों ने शार्क पंखों और अन्य जटिल वस्तुओं20,21,22 में प्रत्यक्ष उच्च गति वाली छवि-आधारित आकार ट्रैकिंग का उपयोग किया है, लेकिन जटिल 3 डी फिन आकार अक्सर ऑप्टिकल एक्सेस को अवरुद्ध करता है, जिससे इसे मापना मुश्किल हो जाता है। इस प्रकार, लचीली फिन गति की कल्पना करने के लिए एक सरल और प्रभावी विधि की आवश्यकता है।
अनुपालन फिन तंत्र में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एक सामग्री पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) है, इसकी कम लागत, उपयोग में आसानी, कठोरता को अलग करने की क्षमता, और पानी के नीचे के अनुप्रयोगों के साथ संगतता23, जैसा कि माजिडी एट अल.24 द्वारा समीक्षा में बड़े पैमाने पर वर्णित है। इन लाभों के अलावा, पीडीएमएस भी ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी है, जो एक ऑप्टिकल नैदानिक तकनीक जैसे प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति (पीएलआईएफ) का उपयोग करके माप के लिए अनुकूल है। परंपरागत रूप से प्रयोगात्मक द्रव यांत्रिकी25 के भीतर, PLIF का उपयोग डाई या निलंबित कणों के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करके या प्रवाह में पहले से ही प्रजातियों से क्वांटम संक्रमण का लाभ उठाकर द्रव प्रवाह की कल्पना करने के लिए किया गया है जो लेजर शीट 26,27,28,29 के संपर्क में आने पर फ्लोरेसेस करते हैं। इस अच्छी तरह से स्थापित तकनीक का उपयोग मौलिक द्रव गतिशीलता, दहन और महासागर गतिशीलता 26,30,31,32,33 का अध्ययन करने के लिए किया गया है।
वर्तमान अध्ययन में, PLIF का उपयोग लचीली मछली से प्रेरित रोबोट पंखों में आकार विरूपण के spatiotemporally हल माप प्राप्त करने के लिए किया जाता है। डाई के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करने के बजाय, पीडीएमएस फिन के पानी के नीचे कीनेमैटिक्स को विभिन्न कॉर्डवाइज क्रॉस-सेक्शन पर कल्पना की जाती है। यद्यपि प्लानर लेजर इमेजिंग को अतिरिक्त प्रतिदीप्ति के बिना नियमित रूप से कास्ट पीडीएमएस पर किया जा सकता है, प्रतिदीप्ति को बढ़ाने के लिए पीडीएमएस को संशोधित करने से पृष्ठभूमि तत्वों के प्रभाव को कम करके छवियों के सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) में सुधार हो सकता है, जैसे कि फिन बढ़ते हार्डवेयर। पीडीएमएस को दो तरीकों को नियोजित करके फ्लोरोसेंट बनाया जा सकता है, या तो फ्लोरोसेंट कण सीडिंग या रंजकता द्वारा। यह बताया गया है कि, किसी दिए गए भाग अनुपात के लिए, पूर्व परिणामी कास्ट पीडीएमएस34 की कठोरता को बदल देता है। इसलिए, एक nontoxic, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध वर्णक पारदर्शी PDMS के साथ मिश्रित किया गया था ताकि PLIF प्रयोगों के लिए फ्लोरोसेंट पंख डाले जा सकें।
कम्प्यूटेशनल मॉडल सत्यापन के लिए इन फिन कीनेमेटीक्स मापों का उपयोग करने का एक उदाहरण प्रदान करने के लिए, प्रयोगात्मक कीनेमेटिक्स की तुलना तब फिन के युग्मित द्रव-संरचना इंटरैक्शन (एफएसआई) मॉडल से मूल्यों के साथ की जाती है। संगणना में उपयोग किए जाने वाले एफएसआई मॉडल पंखों के लिए मापा सामग्री गुणों का उपयोग करके गणना किए गए पहले सात eigenmodes पर आधारित हैं। सफल तुलना फिन मॉडल को मान्य करती है और फिन डिजाइन और नियंत्रण के लिए कम्प्यूटेशनल परिणामों का उपयोग करने में आत्मविश्वास प्रदान करती है। इसके अलावा, PLIF परिणाम दर्शाते हैं कि इस विधि का उपयोग भविष्य के अध्ययनों में अन्य संख्यात्मक मॉडल को मान्य करने के लिए किया जा सकता है। इन एफएसआई मॉडल के बारे में अतिरिक्त जानकारी पूर्व कार्य35,36 और कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता विधियों 37,38 के मौलिक ग्रंथों में पाई जा सकती है। भविष्य के अध्ययन भी रोबोट पंख, bioinspired नरम रोबोट, और अन्य अनुप्रयोगों में FSI के बेहतर प्रयोगात्मक अध्ययन के लिए ठोस विरूपण और तरल पदार्थ प्रवाह के एक साथ माप के लिए अनुमति दे सकते हैं। इसके अलावा, क्योंकि पीडीएमएस और अन्य संगत इलास्टोमर्स व्यापक रूप से सेंसर और चिकित्सा उपकरणों सहित विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं, इस तकनीक का उपयोग करके लचीले ठोस पदार्थों में विरूपण की कल्पना करने से इंजीनियरिंग, भौतिकी, जीव विज्ञान और चिकित्सा में शोधकर्ताओं के एक बड़े समुदाय को लाभ हो सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्लानर लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति का उपयोग आमतौर पर डाई के साथ तरल पदार्थ को सीडिंग करके जलीय प्रवाह की कल्पना करने के लिए किया जाता है, जो लेजर शीट25,26 के संपर्क में आने पर फ्लोरेसेस …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को अमेरिकी नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला (एनआरएल) 6.2 बेस प्रोग्राम के माध्यम से नौसेना अनुसंधान कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया था और प्रदर्शन किया गया था, जबकि कौशिक संपत एनआरएल में ध्वनिकी प्रभाग के एक कर्मचारी थे और निकोल जू ने एनआरएल में कम्प्यूटेशनल भौतिकी और द्रव गतिशीलता के लिए प्रयोगशालाओं में एक एनआरसी रिसर्च एसोसिएटशिप पुरस्कार आयोजित किया था। लेखक तकनीकी सहायता और मार्गदर्शन के लिए डॉ रूबेन होर्टेंसियस (टीएसआई इंक) को स्वीकार करना चाहते हैं।
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).
