Flapping Soft Fin Deformasjon Modellering ved hjelp av Planar Laser-indusert Fluorescence Imaging
Summary
Den nåværende protokollen innebærer måling og karakterisering av 3D-formdeformasjon i undervanns flapping finner bygget med polydimetylsiloksan (PDMS) materialer. Nøyaktig rekonstruksjon av disse deformasjonene er avgjørende for å forstå fremdriftsytelsen til kompatible flapping finner.
Abstract
Propulsive mekanismer inspirert av finnene til ulike fiskearter har blitt stadig mer undersøkt, gitt deres potensial for forbedret manøvrering og stealth evner i ubemannede kjøretøy systemer. Myke materialer som brukes i membranene til disse finmekanismene har vist seg effektive til å øke trykket og effektiviteten sammenlignet med stivere strukturer, men det er viktig å måle og modellere deformasjonene i disse myke membranene nøyaktig. Denne studien presenterer en arbeidsflyt for karakterisering av den tidsavhengige formdeformasjonen av fleksible undervanns flapping finner ved hjelp av planar laserindusert fluorescens (PLIF). Pigmenterte polydimetylsiloksanfinmembraner med varierende stivhet (0,38 MPa og 0,82 MPa) er fremstilt og montert på en montering for aktivering i to frihetsgrader: tonehøyde og rull. PLIF-bilder er anskaffet på tvers av en rekke spanwise-plan, behandlet for å oppnå findeformasjonsprofiler, og kombinert for å rekonstruere tidsvarierende 3D-deformerte finformer. Dataene brukes deretter til å gi høy kvalitet validering for fluid-struktur interaksjon simuleringer og forbedre forståelsen av ytelsen til disse komplekse fremdriftssystemer.
Introduction
I naturen har mange fiskearter utviklet seg til å bruke en rekke kropps- og finbevegelser for å oppnå bevegelse. Forskning for å identifisere prinsippene for fiskelokalisering har bidratt til å drive utformingen av bioinspirerte fremdriftssystemer, ettersom biologer og ingeniører har jobbet sammen for å utvikle dyktige neste generasjons fremdrifts- og kontrollmekanismer for undervannsfarkoster. Ulike forskningsgrupper har studert finkonfigurasjoner, former, materialer, slagparametere og overflatekurvaturkontrollteknikker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Betydningen av å karakterisere tuppvirvelgenerering og våkne tilbøyelighet til å forstå trykkgenerering i en- og flerfinnesystemer er dokumentert i en rekke studier, både beregnings- og eksperimentelle 13,14,15,16,17,18. For finmekanismer laget av kompatible materialer, vist i ulike studier for å redusere våken helling og øke trykket17, er det også viktig å fange og nøyaktig modellere deres deformasjonstidshistorikk for å parre seg med strømningsstrukturanalysen. Disse resultatene kan deretter brukes til å validere beregningsmodeller, informere findesign og kontroll, og legge til rette for aktive forskningsområder i ustabil hydrodynamisk lasting på fleksible materialer, som trenger validering19. Studier har brukt direkte høyhastighets bildebasert formsporing i haifinner og andre komplekse objekter 20,21,22, men den komplekse 3D-finformen blokkerer ofte optisk tilgang, noe som gjør det vanskelig å måle. Dermed er det et presserende behov for en enkel og effektiv metode for å visualisere fleksibel finbevegelse.
Et materiale som er mye brukt i kompatible finmekanismer er polydimetylsiloksan (PDMS) på grunn av lave kostnader, brukervennlighet, evne til å variere stivhet og kompatibilitet med undervannsapplikasjoner23, som beskrevet grundig i en gjennomgang av Majidi et al.24. I tillegg til disse fordelene er PDMS også optisk gjennomsiktig, noe som bidrar til målinger ved hjelp av en optisk diagnostisk teknikk som planar laserindusert fluorescens (PLIF). Tradisjonelt innen eksperimentell fluidmekanikk25 har PLIF blitt brukt til å visualisere væskestrømmer ved å så væsken med fargestoff eller suspenderte partikler eller dra nytte av kvanteoverganger fra arter som allerede er i strømmen som fluoresce når de eksponeres for et laserark 26,27,28,29. Denne veletablerte teknikken har blitt brukt til å studere grunnleggende fluiddynamikk, forbrenning og havdynamikk 26,30,31,32,33.
I den nåværende studien brukes PLIF til å oppnå romlig løste målinger av formdeformasjon i fleksible fiskeinspirerte robotfinner. I stedet for å så væsken med fargestoff, visualiseres undervannskinematikken til en PDMS-fin ved ulike akkordvise tverrsnitt. Selv om planar laseravbildning kan utføres på vanlig støpt PDMS uten ekstra fluorescens, kan endring av PDMS for å forbedre fluorescens forbedre signal-til-støy-forholdet (SNR) til bildene ved å redusere effekten av bakgrunnselementer, for eksempel finmonteringsmaskinvaren. PDMS kan gjøres fluorescerende ved å bruke to metoder, enten ved fluorescerende partikkelsåing eller pigmentering. Det har blitt rapportert at førstnevnte for et gitt delforhold endrer stivheten til den resulterende støpte PDMS34. Derfor ble et ikke-giftig, kommersielt tilgjengelig pigment blandet med gjennomsiktig PDMS for å støpe fluorescerende finner for PLIF-forsøkene.
For å gi et eksempel på bruk av disse fin kinematikkmålingene for beregningsmodellvalidering, sammenlignes de eksperimentelle kinematikkene deretter med verdier fra finens koblede væskestrukturinteraksjonsmodeller (FSI). FSI-modellene som brukes i beregningene er basert på de første syv egenmodusene beregnet ved hjelp av de målte materialegenskapene til finnene. Vellykkede sammenligninger validerer finmodeller og gir tillit til å bruke beregningsresultatene for findesign og kontroll. Videre viser PLIF-resultatene at denne metoden kan brukes til å validere andre numeriske modeller i fremtidige studier. Tilleggsinformasjon om disse FSI-modellene finnes i tidligere arbeid35,36 og i grunnleggende tekster av beregningsvæskedynamikkmetoder37,38. Fremtidige studier kan også muliggjøre samtidige målinger av faste deformasjoner og væskestrømmer for forbedrede eksperimentelle studier av FSI i robotfinner, bioinspirerte myke roboter og andre applikasjoner. Videre, fordi PDMS og andre kompatible elastomerer er mye brukt på ulike felt, inkludert sensorer og medisinsk utstyr, kan visualisering av deformasjoner i fleksible faste stoffer ved hjelp av denne teknikken være til nytte for et større fellesskap av forskere innen ingeniørfag, fysikk, biologi og medisin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Planar laserindusert fluorescens brukes vanligvis til å visualisere vandige strømmer ved å så væsken med fargestoff, som fluoresces når den utsettes for et laserark25,26. Imidlertid er det ikke tidligere rapportert å bruke PLIF til å visualisere deformasjoner i kompatible materialer, og denne studien beskriver en tilnærming for å oppnå tidshistorikkmålinger av høyoppløselig formdeformasjon i fleksible faste finner ved hjelp av PLIF. Sammenligning av…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av Office of Naval Research gjennom et amerikansk marineforskningslaboratorium (NRL) 6.2 baseprogram og utført mens Kaushik Sampath var ansatt i Akustikkavdelingen ved NRL og Nicole Xu holdt en NRC Research Associateship award i Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics ved NRL. Forfatterne ønsker å anerkjenne Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) for teknisk støtte og veiledning.
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).
