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Bio-ingénierie

平面レーザー誘起蛍光イメージングを用いたフラップソフトフィン変形モデリング

Published: April 28, 2022
doi:
10.3791/63784
, , , ,
1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics,US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering,US Naval Research Laboratory

Summary

現在のプロトコルは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)材料で構築された水中フラッピングフィンにおける3D形状変形の測定および特性評価を含む。これらの変形を正確に再構成することは、準拠した羽ばたきフィンの推進性能を理解するために不可欠です。

Abstract

さまざまな魚種のひれに触発された推進機構は、無人車両システムにおける操縦能力とステルス能力の向上の可能性を考慮して、ますます研究されています。これらのフィン機構の膜に使用される軟質材料は、より剛性の高い構造と比較して推力と効率を高めるのに有効であることが証明されていますが、これらの軟質膜の変形を正確に測定およびモデル化することが不可欠です。この研究は、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)を使用して、柔軟な水中羽ばたきフィンの時間依存的な形状変形を特徴付けるためのワークフローを提示する。さまざまな剛性(0.38MPaおよび0.82MPa)を有する顔料化ポリジメチルシロキサンフィン膜が製造され、ピッチおよびロールの2つの自由度で作動するためにアセンブリに取り付けられる。PLIF画像は、スパンワイズ平面の範囲にわたって取得され、フィン変形プロファイルを取得するために処理され、時間的に変化する3D変形フィン形状を再構成するために結合される。このデータは、流体-構造相互作用シミュレーションの忠実度の高い検証を提供し、これらの複雑な推進システムの性能の理解を深めるために使用されます。

Introduction

自然界では、多くの魚種が移動を達成するために様々な体とひれの動きを使うように進化してきました。魚の移動の原理を特定する研究は、生物学者とエンジニアが協力して水中車両用の有能な次世代推進および制御メカニズムを開発するため、バイオインスパイアされた推進システムの設計を推進するのに役立ちました。様々な研究グループがフィンの構成、形状、材料、ストロークパラメータ、および表面曲率制御技術1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12を研究している.シングルフィンおよびマルチフィンシステムにおける推力発生を理解するために、先端渦発生およびウェイク傾向を特徴付けることの重要性は、計算的および実験的13,14,15,16,17,18の両方の多数の研究で文書化されている。ウェイク傾斜を低減し、推力17を増加させるために様々な研究で示されている準拠材料で作られたフィン機構の場合、流動構造解析と組み合わせるためにそれらの変形時間履歴を捕捉し、正確にモデル化することも不可欠である。これらの結果は、計算モデルの検証、フィンの設計と制御の情報提供、検証が必要なフレキシブル材料の非定常流体力学的荷重におけるアクティブな研究分野の促進に使用できます19。研究では、フカヒレやその他の複雑な物体20,21,22で直接高速画像ベースの形状追跡が使用されていますが、複雑な3Dフィン形状はしばしば光学アクセスをブロックし、測定を困難にしています。したがって、柔軟なフィン運動を視覚化するための簡単で効果的な方法が切迫している。

準拠フィン機構で広く使用されている材料は、その低コスト、使いやすさ、剛性を変化させる能力、および水中用途23との適合性のためにポリジメチルシロキサン(PDMS)である。これらの利点に加えて、PDMSは光学的にも透明であり、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)などの光学診断技術を用いた測定に役立ちます。伝統的に、実験流体力学25内で、PLIFは、流体に色素または懸濁粒子を播種することによって、またはレーザーシート26、27、28、29に曝されたときに蛍光を発する流れに既に存在する種からの量子遷移を利用することによって、流体の流れを視覚化するために使用されてきた。この確立された技術は、基本的な流体力学、燃焼、海洋力学26、30、31、32、33を研究するために使用されてきました。

本研究では、PLIFを用いて、柔軟な魚に触発されたロボットフィンの形状変形の時空間的に分解された測定値を得る。流体に染料を播種する代わりに、PDMSフィンの水中運動学を様々な弦方向断面で視覚化する。平面レーザーイメージングは、蛍光を追加せずに通常のキャストPDMS上で実行できますが、PDMSを変更して蛍光を強化することで、フィン取り付けハードウェアなどの背景要素の影響を低減することで、画像の信号対雑音比(SNR)を向上させることができます。PDMSは、蛍光粒子播種または色素沈着のいずれかの2つの方法を採用することによって蛍光化することができる。所定の部品比に対して、前者が結果として得られる鋳造PDMS34の剛性を変化させることが報告されている。したがって、無毒の市販の顔料を透明なPDMSと混合して、PLIF実験用の蛍光フィンを鋳造した。

計算モデル検証のためにこれらのフィン運動学測定値を使用する例を提供するために、実験運動学は、次いで、フィンの結合流体−構造相互作用(FSI)モデルからの値と比較される。計算に使用されるFSIモデルは、フィンの測定された材料特性を使用して計算された最初の7つの固有モードに基づいています。比較が成功すると、フィンモデルが検証され、フィンの設計と制御に計算結果を使用する際の信頼性が得られます。さらに、PLIFの結果は、この方法が将来の研究で他の数値モデルを検証するために使用できることを示しています。これらのFSIモデルに関する追加情報は、先行研究35,36および計算流体力学法37,38の基本テキストに見出すことができる。将来の研究では、固体変形と流体流の同時測定を可能にし、ロボットフィン、バイオインスパイアソフトロボット、およびその他のアプリケーションにおけるFSIの実験的研究を改善することもできます。さらに、PDMSやその他の相溶性エラストマーは、センサーや医療機器など、さまざまな分野で広く使用されているため、この技術を使用して柔軟な固体の変形を視覚化することは、工学、物理学、生物学、医学の研究者のより大きなコミュニティに利益をもたらすことができます。

Protocol

1. フィン製作 希望の形状設計に基づいてフィンモールドを構築します。 フィン形状のカスタム3Dプリントされた光沢仕上げ金型を設計して構築します(図1)。金型の製作については、 補足コーディング・ファイル 1 から 4 の STL ファイルを参照してください。 3D プリントされた硬質プラスチックの最先端スパーなどの構造?…

Representative Results

台形の魚にインスパイアされた人工胸びれを、2つの異なる材料(PDMS 10:1と20:1、どちらも蛍光色素と混合)で型から鋳造し、それぞれに剛性のある前縁スパーを先頭の四分音に挿入しました(図2 と 図3)。2つのフィン材料(図3)の引張試験では、PDMS 20:1およびPDMS 10:1フィンの弾性率がそれぞれ0.38MPaおよび0.82MPaであり、両方の測定で…

Discussion

平面レーザー誘起蛍光は、典型的には、流体を染料で播種することによって水性流れを視覚化するために使用され、これはレーザーシート25、26に曝されたときに蛍光を発する。しかし、PLIFを用いて適合材料の変形を可視化することはこれまで報告されておらず、本研究では、PLIFを用いてフレキシブルソリッドフィンの高分解能形状変形の時間履?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、米国海軍研究所(NRL)6.2ベースプログラムを通じて海軍研究局によって支援され、Kaushik SampathがNRLの音響部門の従業員であり、Nicole XuがNRLの計算物理学および流体力学研究所でNRCリサーチアソシエイトシップ賞を受賞した間に実施されました。著者らは、Ruben Hortensius博士(TSI Inc.)の技術サポートと指導に感謝したいと思います。

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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References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
  25. Springer. . Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
  28. Academic Press. . Handbook of Shock Waves. , (2001).
  29. Yang, W. J. . Handbook of Flow Visualization. , (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -. A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. . Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. 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).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. . Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).
  38. Löhner, R. . Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).
  39. D20 Committee. . Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).

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Keywords: Soft Fin DeformationPlanar Laser-induced Fluorescence ImagingFluid Structure InteractionsFlexible Materials3D Printed MoldCCD CameraLaser SystemDelay GeneratorSoft Robotic Systems
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Citer Cet Article
Sampath, K., Xu, N., Geder, J., Pruessner, M., Ramamurti, R. Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging. J. Vis. Exp. (182), e63784, doi:10.3791/63784 (2022).
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