Flapping Soft Fin Deformation Modeling mit planarer laserinduzierter Fluoreszenzbildgebung
Summary
Das vorliegende Protokoll umfasst die Messung und Charakterisierung der 3D-Formverformung in Unterwasser-Flatterrippen, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) -Materialien gebaut wurden. Die genaue Rekonstruktion dieser Verformungen ist für das Verständnis der Antriebsleistung von nachgiebigen Schlagflossen unerlässlich.
Abstract
Antriebsmechanismen, die von den Flossen verschiedener Fischarten inspiriert sind, wurden zunehmend erforscht, da sie das Potenzial für verbesserte Manövrier- und Tarnfähigkeiten in unbemannten Fahrzeugsystemen haben. Weiche Materialien, die in den Membranen dieser Flossenmechanismen verwendet werden, haben sich im Vergleich zu starreren Strukturen als wirksam erwiesen, um den Schub und die Effizienz zu erhöhen, aber es ist wichtig, die Verformungen in diesen weichen Membranen genau zu messen und zu modellieren. Diese Studie stellt einen Workflow zur Charakterisierung der zeitabhängigen Formverformung von flexiblen Unterwasser-Schlagflossen mittels planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF) vor. Pigmentierte Polydimethylsiloxan-Lamellenmembranen mit unterschiedlichen Steifigkeiten (0,38 MPa und 0,82 MPa) werden hergestellt und an einer Baugruppe zur Betätigung in zwei Freiheitsgraden montiert: Nicken und Walzen. PLIF-Bilder werden über eine Reihe von spanweisen Ebenen aufgenommen, zu Flossenverformungsprofilen verarbeitet und kombiniert, um zeitvariable 3D-deformierte Lamellenformen zu rekonstruieren. Die Daten werden dann verwendet, um eine High-Fidelity-Validierung für Fluid-Struktur-Interaktionssimulationen bereitzustellen und das Verständnis der Leistung dieser komplexen Antriebssysteme zu verbessern.
Introduction
In der Natur haben sich viele Fischarten entwickelt, um eine Vielzahl von Körper- und Flossenbewegungen zu nutzen, um Fortbewegung zu erreichen. Die Forschung zur Identifizierung der Prinzipien der Fortbewegung von Fischen hat dazu beigetragen, das Design bioinspirierter Antriebssysteme voranzutreiben, da Biologen und Ingenieure zusammengearbeitet haben, um leistungsfähige Antriebs- und Kontrollmechanismen der nächsten Generation für Unterwasserfahrzeuge zu entwickeln. Verschiedene Forschungsgruppen haben Flossenkonfigurationen, Formen, Materialien, Hubparameter und Oberflächenkrümmungskontrolltechnikenuntersucht 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Die Bedeutung der Charakterisierung der Spitzenwirbelerzeugung und der Nachlaufneigung zum Verständnis der Schuberzeugung in Ein- und Mehrflossensystemen wurde in zahlreichen Studien dokumentiert, sowohl rechnerisch als auch experimentell 13,14,15,16,17,18. Für Lamellenmechanismen aus nachgiebigen Materialien, die in verschiedenen Studien gezeigt wurden, um die Neigung des Nachlaufs zu reduzieren und den Schubzu erhöhen 17, ist es auch wichtig, ihre Verformungszeithistorie zu erfassen und genau zu modellieren, um sie mit der Strömungsstrukturanalyse zu paaren. Diese Ergebnisse können dann verwendet werden, um Berechnungsmodelle zu validieren, das Flossendesign und die Flossensteuerung zu informieren und aktive Forschungsbereiche in instationärer hydrodynamischer Belastung flexibler Materialien zu erleichtern, die validiert werdenmüssen 19. Studien haben eine direkte bildbasierte Hochgeschwindigkeits-Formverfolgung in Haifischflossen und anderen komplexen Objektenverwendet 20,21,22, aber die komplexe 3D-Lamellenform blockiert oft den optischen Zugang, was die Messung erschwert. Daher besteht ein dringender Bedarf an einer einfachen und effektiven Methode, um flexible Flossenbewegungen zu visualisieren.
Ein Material, das in konformen Lamellenmechanismen weit verbreitet ist, ist Polydimethylsiloxan (PDMS) aufgrund seiner niedrigen Kosten, Benutzerfreundlichkeit, der Fähigkeit, die Steifigkeit zu variieren, und der Kompatibilität mit Unterwasseranwendungen23, wie in einer Überprüfung von Majidi et al.24 ausführlich beschrieben. Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist PDMS auch optisch transparent, was für Messungen mit einer optischen Diagnosetechnik wie der planaren laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) förderlich ist. Traditionell wurde PLIF innerhalb der experimentellen Strömungsmechanik25 verwendet, um Flüssigkeitsströmungen zu visualisieren, indem die Flüssigkeit mit Farbstoff oder suspendierten Partikeln ausgesät wurde oder Quantenübergänge von Spezies, die sich bereits in der Strömung befinden, genutzt werden, die fluoreszieren, wenn sie einer Laserfolie ausgesetzt werden 26,27,28,29. Diese etablierte Technik wurde verwendet, um die grundlegende Fluiddynamik, Verbrennung und Ozeandynamik 26,30,31,32,33 zu untersuchen.
In der vorliegenden Studie wird PLIF verwendet, um räumlich-zeitlich aufgelöste Messungen der Formverformung in flexiblen, von Fischen inspirierten Roboterflossen zu erhalten. Anstatt die Flüssigkeit mit Farbstoff zu säen, wird die Unterwasserkinematik einer PDMS-Flosse an verschiedenen akkordweisen Querschnitten visualisiert. Obwohl planare Laserbildgebung auf regulären gegossenen PDMS ohne zusätzliche Fluoreszenz durchgeführt werden kann, kann die Modifikation von PDMS zur Verbesserung der Fluoreszenz das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder verbessern, indem die Auswirkungen von Hintergrundelementen wie der Lamellenmontagehardware reduziert werden. PDMS kann durch Verwendung von zwei Methoden fluoreszierend gemacht werden, entweder durch fluoreszierende Partikelaussaat oder Pigmentierung. Es wurde berichtet, dass ersteres für ein bestimmtes Teileverhältnis die Steifigkeit des resultierenden gegossenen PDMS34 verändert. Daher wurde ein ungiftiges, kommerziell erhältliches Pigment mit transparentem PDMS gemischt, um fluoreszierende Lamellen für die PLIF-Experimente zu gießen.
Um ein Beispiel für die Verwendung dieser Finnkinematikmessungen für die Validierung von Computermodellen zu geben, wird die experimentelle Kinematik dann mit Werten aus den FSI-Modellen (Coupled Fluid-Structure Interaction) der Fin verglichen. Die in den Berechnungen verwendeten FSI-Modelle basieren auf den ersten sieben Eigenmoden, die unter Verwendung der gemessenen Materialeigenschaften für die Lamellen berechnet wurden. Erfolgreiche Vergleiche validieren Flossenmodelle und geben Vertrauen in die Verwendung der Berechnungsergebnisse für das Flossendesign und die Kontrolle. Darüber hinaus zeigen die PLIF-Ergebnisse, dass diese Methode verwendet werden kann, um andere numerische Modelle in zukünftigen Studien zu validieren. Weitere Informationen zu diesen FSI-Modellen finden sich in früheren Arbeiten 35,36 und in grundlegenden Texten der Computational Fluid Dynamics Methoden 37,38. Zukünftige Studien können auch simultane Messungen von Festkörperverformungen und Flüssigkeitsströmungen für verbesserte experimentelle Studien von FSI in Roboterflossen, bioinspirierten weichen Robotern und anderen Anwendungen ermöglichen. Da PDMS und andere kompatible Elastomere in verschiedenen Bereichen, einschließlich Sensoren und medizinischen Geräten, weit verbreitet sind, kann die Visualisierung von Verformungen in flexiblen Festkörpern mit dieser Technik einer größeren Gemeinschaft von Forschern in den Bereichen Ingenieurwesen, Physik, Biologie und Medizin zugute kommen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Planare laserinduzierte Fluoreszenz wird typischerweise verwendet, um wässrige Strömungen zu visualisieren, indem die Flüssigkeit mit Farbstoff ausgesät wird, der fluoresziert, wenn er einer Laserfolie25,26 ausgesetzt wird. Die Verwendung von PLIF zur Visualisierung von Verformungen in konformen Materialien wurde jedoch bisher nicht berichtet, und diese Studie beschreibt einen Ansatz zur Erfassung von Zeitverlaufsmessungen hochauflösender Formverformungen in…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde vom Office of Naval Research durch ein 6.2-Basisprogramm des US Naval Research Laboratory (NRL) unterstützt und durchgeführt, während Kaushik Sampath ein Mitarbeiter der Akustikabteilung am NRL war und Nicole Xu einen NRC Research Associateship Award in den Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics am NRL erhielt. Die Autoren danken Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) für seine technische Unterstützung und Anleitung.
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 |
Referências
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