Измерение динамических силы действовали на ноге водного долгонога прыгает вверх, PVDF фильм датчик
Summary
Здесь протокол посвящен расследования свободного и быстрого маневрирования водного долгонога на поверхности воды. Протокол включает в себя наблюдения микроструктуры ноги и измерения силы сцепления при вылете из поверхности воды на разных скоростях.
Abstract
Это исследование с целью сделать объяснение этого явления в природе что водного долгонога обычно прыгает или скользит по поверхности воды, легко, но быстро, с его пик локомоции скорость до 150 см/сек. Во-первых мы наблюдали микроструктуры и иерархии водного долгонога ног с помощью сканирующего электронного микроскопа. На основе наблюдаемых морфология ноги была создана теоретическая модель отрешенности от поверхности воды, который объяснил способность воды Страйдеры скользить по поверхности воды без особых усилий с точки зрения уменьшения энергии. Во-вторых система измерения динамической силы была разработана с помощью датчика PVDF фильм с превосходную чувствительность, которая может обнаружить процесс весь взаимодействия. Впоследствии одной ноги при соприкосновении с водой была вытягивана вверх на разных скоростях, и сила сцепления была измерена в то же время. Результаты эксперимента вылетающих предложил глубокое понимание быстро прыгать Страйдеры воды.
Introduction
В природе вода Страйдеры обладают замечательной способности прыгать или скользить легко и быстро на поверхности воды с помощью ноги стройные и nonwetting1,2,3,4,5, но редко двигаться медленно, что является в отличие от земных насекомых. Иерархическая структура водного долгонога стабилизирует superhydrophobic государства, которое оказывает резкое сокращение в контактной области и адгезии силы между водой и нога6,,78, 9. Однако, гидродинамические преимущества быстрого разъединения Страйдеры воды от поверхности воды остаются плохо интерпретировать10,,1112.
Процесс прыгает от поверхности воды главным образом разделить на три этапа13,14,,1516. Во-первых вода Страйдеры подтолкнуть поверхности воды вниз с средней и задней ноги, чтобы преобразовать биологической энергии в энергию поверхности воды до погружения на максимальную глубину, позволяющие насекомых для инициализации прыжки направление и определить Отсоединение скорость. После стадии восходящей, насекомое выталкивается вверх капиллярные силы изогнутые водной поверхности до достижения максимальной скорости. В стадии окончательного разъединения водного долгонога продолжает расти по инерции до оторваться от поверхности воды, но скорость значительной степени снижается из-за силы сцепления с водой, который имеет основной влияние на потребление энергии водного долгонога. Следовательно этот протокол предлагается измерить силу сцепления при различных скоростях взлета в стадии разъединения и объяснить различные характеристики быстро движущихся.
Там было много исследований для изучения силу адгезии Страйдеры воды при метательным от поверхности воды. Ли и Ким теоретически и экспериментально подтвердили, что силы адгезии и энергии требуют что подъема ноги водного долгонога резко сократились, когда угол контакта увеличено до 160 градусов17. Jen Пан Вэй разработан гидростатического эксперимент для измерения силы сцепления по системе TriboScope, которая оказалась 1/5 его вес 18. Kehchih Хван анализ квазистатического процесс ног отсоединение от воды с 2D модели и обнаружил, что superhydrophobicity ноги играют существенную роль в снижении адгезии сил и энергии диссипации19. Однако измерение силы сцепления в предыдущих исследованиях был только в состоянии квазистатического процесса, который не смог контролировать изменения силы сцепления во время быстро прыгать.
В этом исследовании мы разработали систему измерения динамичной силой, с помощью винилидена фторида (PVDF) фильм датчик и другой инструмент адъюванта. По сравнению с другими материалами, ПВДФ является более подходящим для измерения динамического microforce с выше чувствительность20,,21–22. Путем интеграции PVDF фильм датчик в системе, силы сцепления в реальном времени можно было обнаружено и обрабатываются, когда нога была потянув вверх от воды поверхности23,24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящем Протоколе динамичной силой измерения системы, основанной на датчик фильм PVDF была успешно разработана, собрал, откалиброван для измерения силы сцепления от поверхности воды. Среди всей шаги, важно, что сила сцепления была измерена на разных скоростях, подняв ноги от поверхно…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят национальных ключевых технологий программа исследований и разработок министерства науки и технологии Китая (№ 2011BAK15B06) за их поддержку. Спасибо Шуя Чжуан, который является студентом мастер от нашей лаборатории для помогая нам завершить снимать видео.
Materials
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm – 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
References
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698 (2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature’s design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
