Modellazione della deformazione delle alette morbide che utilizzano l'imaging a fluorescenza indotta da laser planare
Summary
Il presente protocollo prevede la misurazione e la caratterizzazione della deformazione della forma 3D in alette sbattute subacquee costruite con materiali polidimetilsilossano (PDMS). Una ricostruzione accurata di queste deformazioni è essenziale per comprendere le prestazioni propulsive delle pinne sbattute conformi.
Abstract
I meccanismi propulsivi ispirati alle pinne di varie specie ittiche sono stati sempre più studiati, dato il loro potenziale per migliorare le manovre e le capacità stealth nei sistemi di veicoli senza equipaggio. I materiali morbidi utilizzati nelle membrane di questi meccanismi a pinne si sono dimostrati efficaci nell’aumentare la spinta e l’efficienza rispetto a strutture più rigide, ma è essenziale misurare e modellare accuratamente le deformazioni in queste membrane morbide. Questo studio presenta un flusso di lavoro per caratterizzare la deformazione della forma dipendente dal tempo delle alette flessibili subacquee che sbattono utilizzando la fluorescenza planare indotta dal laser (PLIF). Le membrane alette di polidimetilsilossano pigmentate con rigidità variabile (0,38 MPa e 0,82 MPa) sono fabbricate e montate su un gruppo per l’attuazione in due gradi di libertà: beccheggio e rollio. Le immagini PLIF vengono acquisite su una gamma di piani spanwise, elaborate per ottenere profili di deformazione delle alette e combinate per ricostruire forme di alette deformate 3D variabili nel tempo. I dati vengono quindi utilizzati per fornire una convalida ad alta fedeltà per simulazioni di interazione fluido-struttura e migliorare la comprensione delle prestazioni di questi complessi sistemi di propulsione.
Introduction
In natura, molte specie di pesci si sono evolute per utilizzare una varietà di movimenti del corpo e delle pinne per ottenere la locomozione. La ricerca per identificare i principi della locomozione dei pesci ha contribuito a guidare la progettazione di sistemi di propulsione bioispirati, poiché biologi e ingegneri hanno lavorato insieme per sviluppare meccanismi di propulsione e controllo di prossima generazione per veicoli subacquei. Vari gruppi di ricerca hanno studiato configurazioni delle alette, forme, materiali, parametri di corsa e tecniche di controllo della curvatura superficiale 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . L’importanza di caratterizzare la generazione di vortici di punta e l’inclinazione alla scia per comprendere la generazione di spinta in sistemi a pinna singola e multipla è stata documentata in numerosi studi, sia computazionali che sperimentali 13,14,15,16,17,18. Per i meccanismi delle alette realizzati con materiali conformi, mostrati in vari studi per ridurre l’inclinazione della scia e aumentare la spinta17, è anche essenziale catturare e modellare con precisione la loro storia temporale di deformazione da abbinare all’analisi della struttura del flusso. Questi risultati possono quindi essere utilizzati per convalidare modelli computazionali, informare la progettazione e il controllo delle alette e facilitare le aree di ricerca attive nel carico idrodinamico instabile su materiali flessibili, che richiedono la convalida19. Gli studi hanno utilizzato il tracciamento diretto della forma basato su immagini ad alta velocità nelle pinne di squalo e in altri oggetti complessi 20,21,22, ma la complessa forma della pinna 3D spesso blocca l’accesso ottico, rendendolo difficile da misurare. Pertanto, vi è una pressante necessità di un metodo semplice ed efficace per visualizzare il movimento flessibile delle pinne.
Un materiale ampiamente utilizzato nei meccanismi delle pinne conformi è il polidimetilsilossano (PDMS) grazie al suo basso costo, facilità d’uso, capacità di variare rigidità e compatibilità con le applicazioni subacquee23, come ampiamente descritto in una recensione di Majidi et al.24. Oltre a questi vantaggi, PDMS è anche otticamente trasparente, il che favorisce le misurazioni utilizzando una tecnica diagnostica ottica come la fluorescenza indotta da laser planare (PLIF). Tradizionalmente all’interno della meccanica sperimentale dei fluidi25, PLIF è stato utilizzato per visualizzare i flussi di fluido seminando il fluido con particelle coloranti o sospese o sfruttando le transizioni quantistiche da specie già nel flusso che fluoresce quando esposte a un foglio laser 26,27,28,29. Questa tecnica consolidata è stata utilizzata per studiare la fluidodinamica fondamentale, la combustione e la dinamica oceanica 26,30,31,32,33.
Nel presente studio, PLIF viene utilizzato per ottenere misurazioni risolte in modo spaziotemporale della deformazione della forma in pinne robotiche flessibili ispirate ai pesci. Invece di seminare il fluido con il colorante, la cinematica subacquea di una pinna PDMS viene visualizzata in varie sezioni trasversali degli accordi. Sebbene l’imaging laser planare possa essere eseguito su PDMS cast regolari senza fluorescenza aggiuntiva, la modifica del PDMS per migliorare la fluorescenza può migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR) delle immagini riducendo gli effetti degli elementi di sfondo, come l’hardware di montaggio delle alette. Il PDMS può essere reso fluorescente impiegando due metodi, sia mediante semina di particelle fluorescenti che per pigmentazione. È stato riportato che, per un dato rapporto di parti, il primo altera la rigidità del risultante PDMS34 fuso. Pertanto, un pigmento non tossico e disponibile in commercio è stato miscelato con PDMS trasparente per fondere alette fluorescenti per gli esperimenti PLIF.
Per fornire un esempio di utilizzo di queste misure cinematiche delle pinne per la convalida del modello computazionale, la cinematica sperimentale viene quindi confrontata con i valori dei modelli di interazione fluido-struttura accoppiata (FSI) della pinna. I modelli FSI utilizzati nei calcoli si basano sui primi sette automodi calcolati utilizzando le proprietà del materiale misurate per le alette. Confronti di successo convalidano i modelli di alette e forniscono fiducia nell’utilizzo dei risultati computazionali per la progettazione e il controllo delle alette. Inoltre, i risultati del PLIF dimostrano che questo metodo può essere utilizzato per convalidare altri modelli numerici in studi futuri. Ulteriori informazioni su questi modelli FSI possono essere trovate nel lavoro precedente35,36 e nei testi fondamentali dei metodi di fluidodinamica computazionale37,38. Studi futuri possono anche consentire misurazioni simultanee di deformazioni solide e flussi di fluidi per migliorare gli studi sperimentali di FSI in alette robotiche, robot morbidi bioispirati e altre applicazioni. Inoltre, poiché PDMS e altri elastomeri compatibili sono ampiamente utilizzati in vari campi, inclusi sensori e dispositivi medici, la visualizzazione delle deformazioni in solidi flessibili utilizzando questa tecnica può avvantaggiare una più ampia comunità di ricercatori in ingegneria, fisica, biologia e medicina.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fluorescenza planare indotta dal laser viene tipicamente utilizzata per visualizzare i flussi acquosi seminando il fluido con il colorante, che fluoresce quando esposto a un foglio laser25,26. Tuttavia, l’uso di PLIF per visualizzare le deformazioni in materiali conformi non è stato precedentemente riportato e questo studio descrive un approccio per ottenere misurazioni della cronologia temporale della deformazione della forma ad alta risoluzione in alette so…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata supportata dall’Office of Naval Research attraverso un programma di base 6.2 del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti ed eseguita mentre Kaushik Sampath era un dipendente della Divisione Acustica presso NRL e Nicole Xu ha tenuto un premio NRC Research Associateship nei Laboratori di Fisica Computazionale e Fluidodinamica dell’NRL. Gli autori desiderano ringraziare il Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) per il supporto tecnico e la guida.
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
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