평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링
Summary
본 프로토콜은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료로 제작된 수중 플랩핑 핀에서 3D 형상 변형의 측정 및 특성화를 포함합니다. 이러한 변형의 정확한 재구성은 준수 플랩핑 핀의 추진 성능을 이해하는 데 필수적입니다.
Abstract
다양한 어종의 지느러미에서 영감을 얻은 추진 메커니즘은 무인 차량 시스템에서 향상된 기동 및 스텔스 기능에 대한 잠재력을 감안할 때 점점 더 연구되고 있습니다. 이러한 핀 메커니즘의 멤브레인에 사용되는 연질 재료는 더 단단한 구조에 비해 추력과 효율을 높이는 데 효과적임이 입증되었지만 이러한 연질 멤브레인의 변형을 정확하게 측정하고 모델링하는 것이 필수적입니다. 이 연구는 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)을 사용하여 유연한 수중 플랩 핀의 시간 의존적 인 형태 변형을 특성화하기위한 워크 플로우를 제시합니다. 다양한 강성 (0.38 MPa 및 0.82 MPa)을 가진 안료 폴리 디메틸 실록산 핀 멤브레인은 피치와 롤의 두 가지 자유도에서 작동을 위해 어셈블리에 제작되고 장착됩니다. PLIF 이미지는 다양한 스팬 평면에 걸쳐 수집되고, 핀 변형 프로파일을 얻기 위해 처리되며, 결합되어 시간이 변화하는 3D 변형된 핀 모양을 재구성합니다. 그런 다음 데이터는 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하고 이러한 복잡한 추진 시스템의 성능에 대한 이해를 향상시키는 데 사용됩니다.
Introduction
자연에서 많은 물고기 종은 다양한 몸과 지느러미 운동을 사용하여 운동을하기 위해 진화했습니다. 물고기 이동의 원리를 확인하기위한 연구는 생물 학자와 엔지니어가 수중 차량을위한 유능한 차세대 추진 및 제어 메커니즘을 개발하기 위해 함께 노력했기 때문에 생물 영감을받은 추진 시스템의 설계를 주도하는 데 도움이되었습니다. 다양한 연구 그룹은 핀 구성, 모양, 재료, 스트로크 매개 변수 및 표면 곡률 제어 기술 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12를 연구했습니다. . 단일 및 다중 핀 시스템에서 추력 생성을 이해하기 위해 팁 와류 생성 및 웨이크 성향을 특성화하는 것의 중요성은 계산 및 실험 13,14,15,16,17,18 모두에서 수많은 연구에서 문서화되었습니다. 웨이크 경사를 줄이고 추력(17)을 증가시키기 위해 다양한 연구에서 보여지는 준수 재료로 만들어진 핀 메커니즘의 경우, 유동 구조 분석과 쌍을 이루기 위해 변형 시간-이력을 포착하고 정확하게 모델링하는 것도 필수적입니다. 그런 다음 이러한 결과를 사용하여 계산 모델을 검증하고, 핀 설계 및 제어를 알리고, 검증19가 필요한 유연한 재료에 불안정한 유체 역학 부하에서 활발한 연구 영역을 촉진 할 수 있습니다. 연구에 따르면 상어 지느러미 및 기타 복잡한 물체 20,21,22에서 직접 고속 이미지 기반 모양 추적을 사용했지만 복잡한 3D 핀 모양은 종종 광학 액세스를 차단하여 측정하기가 어렵습니다. 따라서, 유연한 핀 운동을 시각화하기 위한 간단하고 효과적인 방법에 대한 절실한 필요성이 존재한다.
고분고분한 핀 메커니즘에 널리 사용되는 물질은 Majidi et al.24에 의한 검토에서 광범위하게 기술된 바와 같이, 그의 저비용, 사용의 용이성, 강성을 변화시킬 수 있는 능력, 및 수중 응용(23)과의 호환성으로 인해 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. 이러한 이점 외에도 PDMS는 광학적으로 투명하여 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)과 같은 광학 진단 기술을 사용하는 측정에 도움이됩니다. 전통적으로 실험 유체 역학(25) 내에서, PLIF는 염료 또는 부유 입자로 유체를 시딩하거나 레이저 시트(26,27,28,29)에 노출되었을 때 형광을 띠는 흐름에 이미 있는 종으로부터의 양자 전이를 이용함으로써 유체 흐름을 시각화하는데 사용되어 왔다. 이 잘 정립 된 기술은 근본적인 유체 역학, 연소 및 해양 역학 26,30,31,32,33을 연구하는 데 사용되었습니다.
본 연구에서, PLIF는 유연한 물고기에서 영감을 얻은 로봇 지느러미에서 모양 변형의 시공간 분해 측정을 얻는 데 사용됩니다. 유체를 염료로 시딩하는 대신, PDMS 핀의 수중 운동학은 다양한 코드 방향 단면에서 시각화됩니다. 평면 레이저 이미징은 추가적인 형광 없이 일반 캐스트 PDMS에서 수행할 수 있지만, 형광을 향상시키기 위해 PDMS를 수정하면 핀 장착 하드웨어와 같은 배경 요소의 영향을 줄임으로써 이미지의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있습니다. PDMS는 형광 입자 시딩 또는 색소침착에 의해 두 가지 방법을 채용함으로써 형광을 만들 수 있다. 주어진 부분 비율에 대해, 전자는 생성된 캐스트 PDMS(34)의 강성을 변화시킨다는 것이 보고되었다. 따라서, 무독성, 상용화된 안료를 투명한 PDMS와 혼합하여 PLIF 실험을 위한 형광 핀을 캐스팅하였다.
계산 모델 검증을 위해 이러한 핀 운동학 측정을 사용하는 예를 제공하기 위해, 실험 운동학은 핀의 결합 유체-구조 상호작용(FSI) 모델의 값과 비교된다. 계산에 사용되는 FSI 모델은 핀에 대해 측정된 재료 특성을 사용하여 계산된 첫 번째 일곱 고유 모드를 기반으로 합니다. 성공적인 비교는 핀 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 대한 계산 결과 사용에 대한 확신을 제공합니다. 또한, PLIF 결과는이 방법이 향후 연구에서 다른 수치 모델을 검증하는 데 사용될 수 있음을 입증합니다. 이러한 FSI 모델에 대한 추가 정보는 선행 작업(35,36) 및 전산 유체 역학 방법(37,38)의 기본 텍스트에서 찾을 수 있다. 미래의 연구는 또한 로봇 지느러미, 바이오 영감을받은 소프트 로봇 및 기타 응용 분야에서 FSI에 대한 향상된 실험 연구를 위해 고체 변형 및 유체 흐름을 동시에 측정 할 수 있습니다. 또한 PDMS 및 기타 호환 가능한 엘라스토머는 센서 및 의료 기기를 포함한 다양한 분야에서 널리 사용되기 때문에이 기술을 사용하여 유연한 고체의 변형을 시각화하면 엔지니어링, 물리학, 생물학 및 의학 분야의 더 큰 연구자 커뮤니티에 도움이 될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
평면 레이저-유도 형광은 전형적으로 유체를 염료로 시딩함으로써 수성 유동을 가시화하는데 사용되며, 이는 레이저 시트(25,26)에 노출될 때 형광을 발생시킨다. 그러나 PLIF를 사용하여 준수 재료의 변형을 시각화하는 것은 이전에 보고되지 않았으며, 이 연구는 PLIF를 사용하는 유연한 고체 핀에서 고해상도 형상 변형의 시간 이력 측정을 얻기 위한 접?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 해군 연구소 (NRL) 6.2 기본 프로그램을 통해 해군 연구 사무소의 지원을 받았으며 Kaushik Sampath는 NRL의 음향 부서 직원이었고 Nicole Xu는 NRL의 전산 물리학 및 유체 역학 연구소에서 NRC Research Associateship Award를 수상했습니다. 저자는 Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.)에게 기술 지원 및 지침을 인정하고 싶습니다.
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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