Flapping Soft Fin Deformation Modeling med planar laserinducerad fluorescensavbildning
Summary
Det nuvarande protokollet innefattar mätning och karakterisering av 3D-formdeformation i undervattensflappingfenor byggda med polydimetylsiloxan (PDMS) material. Noggrann rekonstruktion av dessa deformationer är avgörande för att förstå framdrivningsprestandan hos kompatibla flaxfenor.
Abstract
Framdrivningsmekanismer inspirerade av fenorna hos olika fiskarter har undersökts alltmer, med tanke på deras potential för förbättrad manövrering och smygförmåga i obemannade fordonssystem. Mjuka material som används i membranen i dessa fenmekanismer har visat sig vara effektiva för att öka dragkraften och effektiviteten jämfört med mer styva strukturer, men det är viktigt att mäta och modellera deformationerna i dessa mjuka membran exakt. Denna studie presenterar ett arbetsflöde för att karakterisera den tidsberoende formdeformationen hos flexibla undervattensflappingfenor med hjälp av plan laserinducerad fluorescens (PLIF). Pigmenterade polydimetylsiloxanfenmembran med varierande styvhet (0,38 MPa och 0,82 MPa) tillverkas och monteras på en enhet för aktivering i två frihetsgrader: stigning och rulle. PLIF-bilder förvärvas över en rad spännviddsplan, bearbetas för att erhålla findeformationsprofiler och kombineras för att rekonstruera tidsvarierande 3D-deformerade fenformer. Data används sedan för att ge högkvalitativ validering för vätskestrukturinteraktionssimuleringar och förbättra förståelsen för prestandan hos dessa komplexa framdrivningssystem.
Introduction
I naturen har många fiskarter utvecklats för att använda en mängd olika kropps- och finrörelser för att uppnå rörelse. Forskning för att identifiera principerna för fiskrörelse har hjälpt till att driva utformningen av bioinspirerade framdrivningssystem, eftersom biologer och ingenjörer har arbetat tillsammans för att utveckla kapabla nästa generations framdrivnings- och kontrollmekanismer för undervattensfordon. Olika forskargrupper har studerat fenkonfigurationer, former, material, slagparametrar och ytkrökningskontrolltekniker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Vikten av att karakterisera spetsvirvelgenerering och väckningslutning för att förstå tryckgenerering i en- och multifensystem har dokumenterats i många studier, både beräkningsmässiga och experimentella 13,14,15,16,17,18. För finmekanismer tillverkade av kompatibla material, som visats i olika studier för att minska väckningslutningen och öka dragkraften17, är det också viktigt att fånga och noggrant modellera deras deformationstidshistoria för att para ihop med flödesstrukturanalysen. Dessa resultat kan sedan användas för att validera beräkningsmodeller, informera fendesign och kontroll samt underlätta aktiva forskningsområden inom ostadig hydrodynamisk belastning på flexibla material, som behöver valideras19. Studier har använt direkt höghastighets bildbaserad formspårning i hajfenor och andra komplexa objekt 20,21,22, men den komplexa 3D-fenformen blockerar ofta optisk åtkomst, vilket gör det svårt att mäta. Således finns det ett pressande behov av en enkel och effektiv metod för att visualisera flexibel finrörelse.
Ett material som ofta används i kompatibla fenmekanismer är polydimetylsiloxan (PDMS) på grund av dess låga kostnad, användarvänlighet, förmåga att variera styvhet och kompatibilitet med undervattensapplikationer23, vilket beskrivs utförligt i en översyn av Majidi et al.24. Förutom dessa fördelar är PDMS också optiskt transparent, vilket bidrar till mätningar med hjälp av en optisk diagnostisk teknik såsom plan laserinducerad fluorescens (PLIF). Traditionellt inom experimentell strömningsmekanik25 har PLIF använts för att visualisera vätskeflöden genom att så vätskan med färgämne eller suspenderade partiklar eller dra nytta av kvantövergångar från arter som redan finns i flödet som fluorescerar när de utsätts för ett laserark 26,27,28,29. Denna väletablerade teknik har använts för att studera grundläggande vätskedynamik, förbränning och havsdynamik 26,30,31,32,33.
I den aktuella studien används PLIF för att erhålla spatiotemporalt upplösta mätningar av formdeformation i flexibla fiskinspirerade robotfenor. Istället för att så vätskan med färgämne visualiseras undervattenskinematiken hos en PDMS-fena vid olika ackordvisa tvärsnitt. Även om plan laseravbildning kan utföras på vanliga gjutna PDMS utan ytterligare fluorescens, kan modifiering av PDMS för att förbättra fluorescensen förbättra signal-brusförhållandet (SNR) för bilderna genom att minska effekterna av bakgrundselement, såsom finmonteringshårdvaran. PDMS kan göras fluorescerande genom att använda två metoder, antingen genom fluorescerande partikelsådd eller pigmentering. Det har rapporterats att för ett givet delförhållande förändrar den förra styvheten hos den resulterande gjutna PDMS34. Därför blandades ett giftfritt, kommersiellt tillgängligt pigment med transparent PDMS för att gjuta fluorescerande fenor för PLIF-experimenten.
För att ge ett exempel på att använda dessa fenkinematikmätningar för validering av beräkningsmodeller jämförs sedan den experimentella kinematiken med värden från fenans kopplade vätskestrukturinteraktionsmodeller (FSI). FSI-modellerna som används i beräkningarna är baserade på de första sju egenlägena beräknade med hjälp av de uppmätta materialegenskaperna för fenorna. Framgångsrika jämförelser validerar finmodeller och ger förtroende för att använda beräkningsresultaten för findesign och kontroll. Vidare visar PLIF-resultaten att denna metod kan användas för att validera andra numeriska modeller i framtida studier. Ytterligare information om dessa FSI-modeller finns i tidigare arbete35,36 och i grundläggande texter av beräkningsmetoder för vätskedynamik37,38. Framtida studier kan också möjliggöra samtidiga mätningar av fasta deformationer och vätskeflöden för förbättrade experimentella studier av FSI i robotfenor, bioinspirerade mjuka robotar och andra applikationer. Dessutom, eftersom PDMS och andra kompatibla elastomerer används i stor utsträckning inom olika områden, inklusive sensorer och medicintekniska produkter, kan visualisering av deformationer i flexibla fasta ämnen med hjälp av denna teknik gynna en större grupp forskare inom teknik, fysik, biologi och medicin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Planar laserinducerad fluorescens används vanligtvis för att visualisera vattenflöden genom att så vätskan med färgämne, som fluorescerar när den utsätts för ett laserark25,26. Att använda PLIF för att visualisera deformationer i kompatibla material har dock inte tidigare rapporterats, och denna studie beskriver ett tillvägagångssätt för att erhålla tidshistoriska mätningar av högupplöst formdeformation i flexibla fasta fenor med PLIF. Att jä…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av Office of Naval Research genom ett US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2-basprogram och utfördes medan Kaushik Sampath var anställd vid Acoustics Division vid NRL och Nicole Xu höll ett NRC Research Associateship-pris i laboratorierna för beräkningsfysik och vätskedynamik vid NRL. Författarna vill tacka Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) för teknisk support och vägledning.
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).
