Måling av dynamisk kraft handlet på vann Strider Ben hoppe oppover PVDF Film sensoren
Summary
Protokollen her er dedikert til undersøker det ledig og rask manøvrering av vann strider på vannflaten. Protokollen inneholder observere mikrostruktur ben og måle vedheft kraft når avgang fra vann-overflaten på ulike hastigheter.
Abstract
Denne studien å gjøre en forklaring på fenomenet i naturen som vann strider vanligvis hopper eller glir på vannflaten lett, men raskt, med sin topp bevegelse hastighet nå 150 cm/s. Først av alt, observerte vi mikrostruktur og hierarki av vann strider Ben bruker scanning elektron mikroskop. Basert på observerte morfologi av Ben, ble en teoretisk modell av avdeling fra vannflaten etablert, som forklart vann forening evne å skyve på vannflaten uanstrengt i energireduksjon. Dernest ble en dynamisk kraft målesystem utarbeidet PVDF film sensor med utmerket følsomhet, som kan oppdage hele samhandling prosessen. Deretter en enkelt etappe i kontakt med vann ble trukket oppover på ulike hastigheter, og vedheft styrken ble målt på samme tid. Resultatene av avgang eksperimentet foreslo en dyp forståelse av den raskt hoppe over vann forening.
Introduction
Natur har vann forening bemerkelsesverdig evne til å hoppe eller glir enkelt og raskt på vannflaten med hjelp av den slanke og nonwetting bein1,2,3,4,5, men sjelden flytte sakte, som er ulikt terrestriske insekter. Den hierarkiske strukturen for vann strider stabiliserer superhydrophobic staten, som gjengir dramatisk reduksjon i kontakt området og vedheft kraft mellom vann og etappe6,7,8, 9. etter fordelene med rask oppløsning av vann forening fra vann-overflaten beholdes imidlertid dårlig tolket10,11,12.
Prosessen med å hoppe fra vannflaten er hovedsakelig delt i tre stadier13,14,15,16. Først presse vann forening vannflaten nedover med midten og bakre ben å konvertere den biologiske energien til overflaten energien i vannet før synke til maksimal dybde, som aktiverer insekt å initialisere hopping retning og bestemme detaching hastigheten. Etterfulgt av stigende scenen, skyves insekt oppover av kapillær kraft av buet vannflaten fram den maksimale hastigheten. I den siste løsrivelse fasen, vann strider fortsetter å stige opp av treghet før bryte fra vannflaten, men hastigheten reduseres i stor grad på grunn av vedheft styrken med vannet, har som viktigste innflytelse på strømforbruket til den vann strider. Denne protokollen er derfor foreslått å måle vedheft på ulike avgang hastigheter løsrivelse Stadium og forklare den adskilt karakteristisk for beveger seg raskt.
Det har vært mange studier å utforske vedheft kraft vann forening når propelling fra vannflaten. Lee & Kim bekreftet teoretisk og eksperimentelt at vedheft force og energi nødvendig løfte vann strider’s Ben redusert dramatisk når kontakt vinkelen økt til 160 grader17. Pan Jen Wei utformet en hydrostatisk eksperiment for å måle vedheft av TriboScope systemet, som ble funnet for å være 1/5 av vekt 18. Kehchih Hwang analysert kvasi-statisk prosessen med bena frakobling fra vannet med en 2D modell og fant superhydrophobicity av bena spilte en betydelig rolle i å redusere vedheft kraft og energi ødsling19. Måling av vedheft kraften i tidligere studier var imidlertid bare i tilstanden til en kvasi-statisk prosess, som klarte å overvåke vedheft force endringene under rask hopping.
I denne studien utviklet vi et dynamisk kraft målesystem bruker polyvinylidene fluor (PVDF) filmen sensor og andre adjuvant instrument. Sammenlignet med andre piezoelectric materialer, er PVDF mer egnet for å måle den dynamiske microforce med høyere følsomhet20,21,22. Ved å integrere PVDF film sensor i systemet, kan sanntid vedheft styrken oppdages og behandles når benet var trekke vann overflaten23,24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokollen, var en dynamisk kraft målesystem basert på PVDF film sensor er utviklet, samlet, kalibrert for å måle vedheft fra vannflaten. Noe av det hele, det var avgjørende at vedheft styrken ble målt på ulike hastigheter ved å løfte beinet fra vannflaten som denne studien fokusert på bemerkelsesverdig karakteristisk for rask manøvrering på vannet. Resultatene av avgang eksperiment viste at vedheft styrken redusert når løfte hastigheten økes. Disse avklart at vann forening ville føle seg avslapp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker nasjonale nøkkel Technology Research and Development Program av departementet for vitenskap og teknologi i Kina (nr. 2011BAK15B06) for deres støtte. Takk Shuya Zhuang som er en master student fra vårt laboratorium for å hjelpe oss fullføre video skyte.
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).
