Su Strider bacak yukarı PVDF Film algılayıcı tarafından atlama üzerinde hareket dinamik güç ölçümü
Summary
İletişim kuralı burada ücretsiz araştıran ve su yüzeyindeki su strider hızlı manevra adamıştır. Protokol bacaklar mikroyapı gözlemleyerek ve yapışma gücü farklı hızlarda su yüzeyinden çıkış yapan zaman ölçme içerir.
Abstract
Genellikle bu su strider doğada fenomen için bir açıklama yapmak için amaçlayan bu çalışma atlar veya kolayca ama hızlı bir şekilde su yüzeyine kayar, onun en yüksek hareket ile ulaşan 150 cm/s hız. İlk olarak, biz mikroyapı ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak su strider bacaklar hiyerarşisini gözlenen. Bacaklar gözlenen morfolojisi temelinde, hangi enerji azaltma açısından zahmetsizce su yüzeyinde slayt için su sineklerinin yeteneği açıkladı dekolmanı su yüzeyinden bir teorik modeli kurulmuştur. İkinci olarak, tüm etkileşim işlemi tespit olabilir mükemmel hassasiyet ile PVDF film sensör kullanarak bir dinamik güç ölçüm sistemi geliştirildi. Daha sonra su ile temas halinde tek bir bacak yukarı doğru farklı hızlarda çekildi ve yapışma gücü aynı zamanda ölçüldü. Çıkış yapan denemenin sonuçları hızlı su sineklerinin atlama derin bir anlayış önerdi.
Introduction
Doğada su sineklerinin atlamak veya su yüzeyi ince ve nonwetting bacaklar1,2,3,4,5yardımı ile kolayca ve hızlı bir şekilde kayma için dikkat çekici yeteneğine sahip, Ama nadiren yavaş yavaş, karasal böcekler olan hareket. Suyun ve bacak6,7,8, arasında iletişim alanı ve yapışma yürürlükte dramatik azaltma işler superhydrophobic devlet su strider hiyerarşik yapısını stabilize 9. ancak, su sineklerinin hızlı kesilmesi su yüzeyinden hidrodinamik avantajları kötü yorumlanmış10,11,12kalır.
Su yüzeyinden atlama işlemi ağırlıklı olarak üç aşamada13,14,15,16ayrılmıştır. İlk başta, su sineklerinin atlama yönünü başlatmak ve belirlemek böcek sağlayan biyolojik enerji maksimum derinliği batan kadar su yüzey enerjiye dönüştürmek için orta ve arka bacaklar ile su yüzeyi aşağı doğru itin. ayırmayı hız. Artan sahne ile takip, böcek yukarı doğru kavisli su yüzeyi kapiller zorla maksimum hız erişene dek itilir. Son ayrılma aşamasında su strider atalet tarafından su yüzeyinden uzak kırma kadar yükselmeye devam ediyor, ama hızı büyük ölçüde nedeniyle yapışma gücü azalır su ile enerji tüketimi üzerinde asıl etkiye sahip su Yolgezer. Bu nedenle, bu iletişim kuralı ayrılma aşamasında kalkış farklı hızları, yapışma gücü ölçmek ve hızlı hareket eden farklı karakteristik açıklamak için önerilmiştir.
Ne zaman su yüzeyinden iten su sineklerinin yapışma gücü keşfetmek için birçok çalışma yapılmıştır. Lee & Kim yapışma gücü ve enerji su strider’ın bacaklar kaldırma ölçüde ne zaman temas açısı 160 derece17‘ ye yükseldi azalmıştır gerekli teorik ve deneysel olarak doğruladı. Pan Jen Wei bir hidrostatik deney 1/5, ağırlık 18bulundu TriboScope sistemi tarafından yapışma kuvvetleri ölçmek için tasarlanmış. Kehchih Hwang ayakları ve özellikli bir 2D sudan ayırma ve bacak superhydrophobicity yapışma gücü ve enerji dağıtımı19azaltılmasında önemli bir rol oynadı buldum yarı statik süreci analiz. Ancak, önceki çalışmalarda yapışma gücü ölçümü sadece hızlı atlama sırasında yapışma kuvvetleri değişiklikleri izlemek için bir yarı statik işleminin durumu oldu.
Bu çalışmada, polivinilidin florid (PVDF) film sensörü ve diğer adjuvan enstrüman kullanarak bir dinamik güç ölçüm sistemi tasarlanmış. Piezoelektrik diğer malzemelerle karşılaştırıldığında, PVDF daha yüksek duyarlılık20,21,22ile dinamik microforce ölçmek için daha uygundur. PVDF film sensör sistemi içine entegre ederek, gerçek zamanlı yapışma kuvvetleri olabilir tespit ve bacak su yüzey23,24,25dan çekiyordu zaman işlenir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol için PVDF film sensörüne dayalı bir dinamik güç ölçüm sistemi başarılı bir şekilde tasarlanmış, monte, uzak su yüzeyine yapışma kuvvetleri ölçmek için kalibre. Tüm adımları arasında çok önemli yapışma kuvvetleri bu çalışma olarak su yüzeyinden bacak kaldırma tarafından farklı hızlarda ölçüldü su hızlı manevra dikkat çekici özelliği odaklı. Kaldırma hızı artar zaman yapışma kuvvetleri azalmıştır deney çıkış yapan sonuçlarını gösterdi. Eğer onlar s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar ulusal anahtar teknoloji araştırma ve geliştirme programı Bakanlığı Bilim ve teknoloji Çin (No. 2011BAK15B06) onların destek için teşekkür ederiz. Teşekkür için yemek servisi bizi video çekimi tamamlamak bizim laboratuvar üzerinden bir master öğrencisi olan Shuya Zhuang.
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).
