מדידה של כוח דינמי פעל על רגל מים "צעדן" קופץ מעלה על ידי חיישן סרט PVDF
Summary
פרוטוקול כאן מוקדש חוקרים בחינם, תמרון מהיר של מים “צעדן” על פני המים. הפרוטוקול כוללת התבוננות על מיקרו של הרגליים, מדידת אדהזיה הכוח כאשר היוצאת פני המים במהירויות שונות.
Abstract
מחקר זה שמטרתה להביא הסבר התופעה בטבע “צעדן” את המים בדרך כלל קופץ או מחליק על פני המים בקלות אבל במהירות, עם שלה ומכניקה שיא מהירות להשיג 150 ס”מ/s. קודם כל, הבחנו מיקרו של ההיררכיה של מים “צעדן” הרגליים באמצעות המיקרוסקופ האלקטרוני סריקה. על סמך התצפיות המורפולוגיה של הרגליים, מודל תאורטי של הניתוק של פני המים הוקמה, אשר הסביר יכולת של מים striders להחליק על פני המים ללא מאמץ מבחינת הפחתת האנרגיה. שנית, מערכת מדידה וסבילה הומצאה שימוש בחיישן הסרט PVDF עם רגישות מעולה, אשר יכול לזהות את התהליך כל אינטראקציה. לאחר מכן, רגל אחת במגע עם מים נמשכה כלפי מעלה במהירויות שונות, הכוח אדהזיה נמדדה בו זמנית. התוצאות של הניסוי שיוצאת הציע הבנה עמוקה של הקפיצה מהיר של מים striders.
Introduction
בטבע, striders מים בעלי יכולת מדהימה לקפוץ או לגלוש בקלות, במהירות על פני המים בעזרת רגליים דקיקות, nonwetting1,2,3,4,5, אבל לעתים רחוקות זזים לאט, וזה בניגוד החרקים יבשתי. המבנה ההירארכי של מים “צעדן” מייצבת את המדינה superhydrophobic, האינטרפרטציה צמצום משמעותי בכוח אזור והצמדות הקשר בין מים את הרגל6,7,8, 9. עם זאת, היתרונות hydrodynamic של ההתנתקות מהיר של מים striders פני המים נשארים לקוי לפרש10,11,12.
התהליך של קפיצות מפני השטח המים מחולק בעיקר שלושה שלבים13,14,15,16. בהתחלה, מים striders לדחוף פני המים כלפי מטה עם הרגליים באמצע ומאחור כדי להמיר אנרגיה ביולוגית לאנרגיה המשטח של המים עד ששקעו העומק המרבי, המאפשרים את החרק לאתחל את הכיוון קופץ ולקבוע המהירות התולש. ואחריו את הבמה עולה, החרק דחף כלפי מעלה על ידי הכוח נימי של המשטח מים עקומים עד שהגיע מהירות מקסימלית. בשלב הסופי ההתנתקות, “צעדן” המים ממשיך להתרומם לשניים עד שבירת מהמשטח מים, אך המהירות תקטן במידה רבה בשל הכוח אדהזיה עם המים, אשר יש ההשפעה העיקרית על צריכת האנרגיה של “צעדן” מים. לפיכך, פרוטוקול זה מוצע למדוד את כוח אדהזיה במהירויות שונות להמריא על הבמה ההתנתקות ולהסביר על מאפייני ברורים זז מהר.
היו מחקרים רבים לחקור את כוח הדבקה של מים striders כאשר הטלה של פני המים. Lee & קים ותיאורטי השפעול אישר כי הדבקות כוח ואנרגיה נדרש הרמת הרגליים של סטרייד המים ירד באופן דרמטי כאשר הזווית קשר גדל ל 160 מעלות17. פאן ג’ן ווי תוכנן ניסוי ההידרוסטטי כדי למדוד את כוח הדבקה על ידי מערכת TriboScope, אשר נמצאה להיות 1/5 שלה במשקל 18. הואנג Kehchih ניתח את התהליך ומעין סטטי של הרגליים ניתוק מן המים עם דגם 2D ומצא ש-superhydrophobicity של הרגליים שיחק תפקיד משמעותי בהפחתת אדהזיה כוח ואנרגיה פיזור19. אולם, מידת הכוח אדהזיה במחקרים קודמים היה רק במצב של תהליך ומעין סטטיים, אשר לא היתה אפשרות לעקוב אחר השינויים בכוח אדהזיה במהלך הקפיצה מהר.
במחקר זה, תיכננו מערכת מדידה וסבילה באמצעות polyvinylidene פלואוריד (PVDF) הסרט חיישן ולכלי הנגינה אדג’וונט אחרים. לעומת חומרים אחרים פיזואלקטריים, PVDF מתאים יותר למדוד את microforce דינמי עם רגישות גבוהה יותר20,21,22. על ידי שילוב של החיישן הסרט PVDF לתוך המערכת, הכוח אדהזיה בזמן אמת יכול ועוזרת לעבד כאשר הרגל חונה מים משטח23,24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה, מערכת מדידה וסבילה המבוססת על החיישן הסרט PVDF היה בהצלחה המציאו, התאספו, מכויל כדי למדוד את הכוח אדהזיה מהמשטח מים. בין הצעדים כל, זה היה חיוני כי הכוח אדהזיה נמדדה במהירויות שונות על-ידי הרמת הרגל מהמשטח מים כמו מחקר זה התמקד המאפיין יוצא דופן של תמרון מהיר על פני המים. התוצאות ש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים הלאומית מפתח טכנולוגיה ומחקר תוכנית הפיתוח של משרד המדע, הטכנולוגיה של סין (מספר 2011BAK15B06) על תמיכתם. תודה Shuya דז’ואנג מי הוא תלמיד מאסטר מן המעבדה שלנו שעזרת לנו להשלים את. הצילומים.
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).
