Modelado de deformación de aletas blandas aleteando utilizando imágenes de fluorescencia inducidas por láser plano
Summary
El presente protocolo implica la medición y caracterización de la deformación de la forma 3D en aletas de aleteo submarino construidas con materiales de polidimetilsiloxano (PDMS). La reconstrucción precisa de estas deformaciones es esencial para comprender el rendimiento propulsivo de las aletas de aleteo compatibles.
Abstract
Los mecanismos propulsivos inspirados en las aletas de varias especies de peces se han investigado cada vez más, dado su potencial para mejorar las capacidades de maniobra y sigilo en los sistemas de vehículos no tripulados. Los materiales blandos utilizados en las membranas de estos mecanismos de aleta han demostrado ser efectivos para aumentar el empuje y la eficiencia en comparación con las estructuras más rígidas, pero es esencial medir y modelar las deformaciones en estas membranas blandas con precisión. Este estudio presenta un flujo de trabajo para caracterizar la deformación de la forma dependiente del tiempo de las aletas flexibles de aleteo submarino utilizando fluorescencia plana inducida por láser (PLIF). Las membranas de aleta de polidimetilsiloxano pigmentadas con diferentes rigideces (0,38 MPa y 0,82 MPa) se fabrican y montan en un conjunto para su accionamiento en dos grados de libertad: cabeceo y balanceo. Las imágenes PLIF se adquieren a través de una gama de planos en sentido amplio, se procesan para obtener perfiles de deformación de aletas y se combinan para reconstruir formas de aletas deformadas en 3D que varían en el tiempo. Los datos se utilizan para proporcionar una validación de alta fidelidad para simulaciones de interacción fluido-estructura y mejorar la comprensión del rendimiento de estos complejos sistemas de propulsión.
Introduction
En la naturaleza, muchas especies de peces han evolucionado para utilizar una variedad de movimientos corporales y de aletas para lograr la locomoción. La investigación para identificar los principios de la locomoción de los peces ha ayudado a impulsar el diseño de sistemas de propulsión bioinspirados, ya que biólogos e ingenieros han trabajado juntos para desarrollar mecanismos de propulsión y control de próxima generación capaces para vehículos submarinos. Varios grupos de investigación han estudiado configuraciones de aletas, formas, materiales, parámetros de trazo y técnicas de control de la curvatura de la superficie 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . La importancia de caracterizar la generación de vórtices de punta y la inclinación de la estela para comprender la generación de empuje en sistemas de aletas simples y múltiples se ha documentado en numerosos estudios, tanto computacionales como experimentales 13,14,15,16,17,18. Para los mecanismos de aleta hechos de materiales compatibles, demostrados en varios estudios para reducir la inclinación de la estela y aumentar el empuje17, también es esencial capturar y modelar con precisión su historial de tiempo de deformación para emparejarlo con el análisis de la estructura de flujo. Estos resultados se pueden utilizar para validar modelos computacionales, informar el diseño y control de aletas y facilitar áreas de investigación activas en carga hidrodinámica inestable en materiales flexibles, que necesitan validación19. Los estudios han utilizado el seguimiento directo de formas basadas en imágenes de alta velocidad en aletas de tiburón y otros objetos complejos 20,21,22, pero la compleja forma de la aleta 3D a menudo bloquea el acceso óptico, lo que dificulta su medición. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de un método simple y efectivo para visualizar el movimiento flexible de las aletas.
Un material ampliamente utilizado en mecanismos de aletas conformes es el polidimetilsiloxano (PDMS) debido a su bajo costo, facilidad de uso, capacidad de variar la rigidez y compatibilidad con aplicaciones submarinas23, como se describe ampliamente en una revisión de Majidi et al.24. Además de estos beneficios, PDMS también es ópticamente transparente, lo que es propicio para las mediciones utilizando una técnica de diagnóstico óptico como la fluorescencia inducida por láser plano (PLIF). Tradicionalmente dentro de la mecánica experimental de fluidos25, PLIF se ha utilizado para visualizar flujos de fluidos sembrando el fluido con tinte o partículas en suspensión o aprovechando las transiciones cuánticas de especies ya en el flujo que fluorescen cuando se exponen a una lámina láser 26,27,28,29. Esta técnica bien establecida se ha utilizado para estudiar la dinámica de fluidos fundamental, la combustión y la dinámica oceánica 26,30,31,32,33.
En el presente estudio, PLIF se utiliza para obtener mediciones espaciotemporalmente resueltas de la deformación de la forma en aletas robóticas flexibles inspiradas en peces. En lugar de sembrar el fluido con tinte, la cinemática submarina de una aleta PDMS se visualiza en varias secciones transversales acordes. Aunque las imágenes láser planas se pueden realizar en PDMS de fundición regular sin fluorescencia adicional, la modificación de PDMS para mejorar la fluorescencia puede mejorar la relación señal-ruido (SNR) de las imágenes al reducir los efectos de los elementos de fondo, como el hardware de montaje de aletas. PdMS se puede hacer fluorescente mediante el empleo de dos métodos, ya sea mediante la siembra de partículas fluorescentes o la pigmentación. Se ha informado que, para una proporción de piezas dada, la primera altera la rigidez del PDMS34 fundido resultante. Por lo tanto, se mezcló un pigmento no tóxico y disponible comercialmente con PDMS transparente para fundir aletas fluorescentes para los experimentos PLIF.
Para proporcionar un ejemplo del uso de estas mediciones cinemáticas de aleta para la validación del modelo computacional, la cinemática experimental se compara con los valores de los modelos de interacción fluido-estructura acoplada (FSI) de la aleta. Los modelos FSI utilizados en los cálculos se basan en los primeros siete modos propios calculados utilizando las propiedades del material medidas para las aletas. Las comparaciones exitosas validan los modelos de aletas y proporcionan confianza en el uso de los resultados computacionales para el diseño y control de aletas. Además, los resultados de PLIF demuestran que este método se puede utilizar para validar otros modelos numéricos en estudios futuros. Se puede encontrar información adicional sobre estos modelos FSI en trabajos previos35,36 y en textos fundamentales de métodos computacionales de dinámica de fluidos37,38. Los estudios futuros también pueden permitir mediciones simultáneas de deformaciones sólidas y flujos de fluidos para estudios experimentales mejorados de FSI en aletas robóticas, robots blandos bioinspirados y otras aplicaciones. Además, debido a que pdMS y otros elastómeros compatibles se utilizan ampliamente en diversos campos, incluidos sensores y dispositivos médicos, la visualización de deformaciones en sólidos flexibles utilizando esta técnica puede beneficiar a una comunidad más grande de investigadores en ingeniería, física, biología y medicina.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fluorescencia inducida por láser plano se utiliza típicamente para visualizar flujos acuosos mediante la siembra del fluido con tinte, que fluorescencia cuando se expone a una lámina láser25,26. Sin embargo, el uso de PLIF para visualizar deformaciones en materiales compatibles no se ha informado previamente, y este estudio describe un enfoque para obtener mediciones del historial de tiempo de la deformación de forma de alta resolución en aletas sólidas…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval a través de un programa de base 6.2 del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) y se realizó mientras Kaushik Sampath era un empleado de la División de Acústica en NRL y Nicole Xu obtuvo un premio de Asociado de Investigación NRC en los Laboratorios de Física Computacional y Dinámica de Fluidos en NRL. Los autores desean agradecer al Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) por su apoyo técnico y orientación.
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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