Flapping Soft Fin Deformation Modellering ved hjælp af Planar Laser-Induceret Fluorescence Imaging
Summary
Den nuværende protokol involverer måling og karakterisering af 3D-formdeformation i undervandsflappefinner bygget med polydimethylsiloxan (PDMS) materialer. Nøjagtig rekonstruktion af disse deformationer er afgørende for at forstå fremdrivningsevnen af overensstemmende klappefinner.
Abstract
Fremdrivningsmekanismer inspireret af finnerne fra forskellige fiskearter er i stigende grad blevet undersøgt i betragtning af deres potentiale for forbedret manøvrering og stealth-kapacitet i ubemandede køretøjssystemer. Bløde materialer, der anvendes i membranerne i disse finmekanismer, har vist sig effektive til at øge tryk og effektivitet sammenlignet med mere stive strukturer, men det er vigtigt at måle og modellere deformationerne i disse bløde membraner nøjagtigt. Denne undersøgelse præsenterer en arbejdsgang til karakterisering af den tidsafhængige formdeformation af fleksible undervandsklapfinner ved hjælp af plan laserinduceret fluorescens (PLIF). Pigmenterede polydimethylsiloxanfinmembraner med varierende stivheder (0,38 MPa og 0,82 MPa) fremstilles og monteres på en samling til aktivering i to frihedsgrader: tonehøjde og rulle. PLIF-billeder erhverves på tværs af en række spanwise planer, behandles for at opnå findeformationsprofiler og kombineres for at rekonstruere tidsvarierende 3D-deformerede finformer. Dataene bruges derefter til at tilvejebringe validering i høj kvalitet til interaktionssimuleringer mellem væske og struktur og forbedre forståelsen af ydeevnen for disse komplekse fremdriftssystemer.
Introduction
I naturen har mange fiskearter udviklet sig til at bruge en række krops- og finbevægelser for at opnå bevægelse. Forskning for at identificere principperne for fiskebevægelse har bidraget til at drive designet af bioinspirerede fremdrivningssystemer, da biologer og ingeniører har arbejdet sammen om at udvikle dygtige næste generations fremdrivnings- og kontrolmekanismer til undervandskøretøjer. Forskellige forskergrupper har studeret finkonfigurationer, former, materialer, slagparametre og overfladekrumningskontrolteknikker 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Betydningen af at karakterisere tip vortex generation og wake tilbøjelighed til at forstå trykgenerering i enkelt- og multi-fin systemer er blevet dokumenteret i adskillige undersøgelser, både beregningsmæssige og eksperimentelle 13,14,15,16,17,18. For finmekanismer lavet af overensstemmende materialer, der er vist i forskellige undersøgelser for at reducere vågenhældning og øge tryk17, er det også vigtigt at fange og nøjagtigt modellere deres deformationstidshistorie for at parre med flowstrukturanalysen. Disse resultater kan derefter bruges til at validere beregningsmodeller, informere findesign og -kontrol og lette aktive forskningsområder i ustabil hydrodynamisk belastning på fleksible materialer, som skalvalideres 19. Undersøgelser har brugt direkte højhastigheds billedbaseret formsporing i hajfinner og andre komplekse objekter 20,21,22, men den komplekse 3D-finform blokerer ofte optisk adgang, hvilket gør det vanskeligt at måle. Der er således et presserende behov for en enkel og effektiv metode til at visualisere fleksibel finbevægelse.
Et materiale, der i vid udstrækning anvendes i kompatible finmekanismer, er polydimethylsiloxan (PDMS) på grund af dets lave omkostninger, brugervenlighed, evne til at variere stivhed og kompatibilitet med undervandsapplikationer23, som beskrevet udførligt i en gennemgang af Majidi et al.24. Ud over disse fordele er PDMS også optisk gennemsigtig, hvilket er befordrende for målinger ved hjælp af en optisk diagnostisk teknik såsom plan laserinduceret fluorescens (PLIF). Traditionelt inden for eksperimentel væskemekanik25 er PLIF blevet brugt til at visualisere væskestrømme ved at så væsken med farvestof eller suspenderede partikler eller drage fordel af kvanteovergange fra arter, der allerede er i strømmen, der fluorescerer, når de udsættes for et laserark 26,27,28,29. Denne veletablerede teknik er blevet brugt til at studere grundlæggende væskedynamik, forbrænding og havdynamik 26,30,31,32,33.
I denne undersøgelse bruges PLIF til at opnå spatiotemporalt opløste målinger af formdeformation i fleksible fiskeinspirerede robotfinner. I stedet for at så væsken med farvestof visualiseres undervandskinematikken i en PDMS-fin ved forskellige akkordvise tværsnit. Selvom plan laserbilleddannelse kan udføres på almindelig støbt PDMS uden yderligere fluorescens, kan ændring af PDMS for at forbedre fluorescens forbedre signal-støj-forholdet (SNR) for billederne ved at reducere virkningerne af baggrundselementer, såsom finmonteringshardwaren. PDMS kan gøres fluorescerende ved at anvende to metoder, enten ved fluorescerende partikelsåning eller pigmentering. Det er blevet rapporteret, at førstnævnte for et givet delforhold ændrer stivheden af den resulterende støbte PDMS34. Derfor blev et ugiftigt, kommercielt tilgængeligt pigment blandet med gennemsigtigt PDMS for at støbe fluorescerende finner til PLIF-eksperimenterne.
For at give et eksempel på anvendelse af disse finkinematikmålinger til validering af beregningsmodeller sammenlignes den eksperimentelle kinematik derefter med værdier fra finnens koblede væske-strukturinteraktionsmodeller (FSI). De FSI-modeller, der anvendes i beregningerne, er baseret på de første syv egentilstande beregnet ved hjælp af de målte materialeegenskaber for finnerne. Vellykkede sammenligninger validerer finmodeller og giver tillid til at bruge beregningsresultaterne til findesign og kontrol. Endvidere viser PLIF-resultaterne, at denne metode kan bruges til at validere andre numeriske modeller i fremtidige undersøgelser. Yderligere oplysninger om disse FSI-modeller kan findes i tidligere arbejde35,36 og i grundlæggende tekster af beregningsvæskedynamikmetoder 37,38. Fremtidige undersøgelser kan også give mulighed for samtidige målinger af faste deformationer og væskestrømme til forbedrede eksperimentelle undersøgelser af FSI i robotfinner, bioinspirerede bløde robotter og andre applikationer. Fordi PDMS og andre kompatible elastomerer i vid udstrækning anvendes på forskellige områder, herunder sensorer og medicinsk udstyr, kan visualisering af deformationer i fleksible faste stoffer ved hjælp af denne teknik desuden gavne et større samfund af forskere inden for teknik, fysik, biologi og medicin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plan laserinduceret fluorescens bruges typisk til at visualisere vandige strømme ved at så væsken med farvestof, som fluorescerer, når den udsættes for et laserark 25,26. Brug af PLIF til at visualisere deformationer i kompatible materialer er imidlertid ikke tidligere blevet rapporteret, og denne undersøgelse beskriver en tilgang til opnåelse af tidshistoriske målinger af formdeformation i høj opløsning i fleksible faste finner ved hjælp af PLIF. Samm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af Office of Naval Research gennem et US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 baseprogram og udført, mens Kaushik Sampath var medarbejder i Acoustics Division ved NRL og Nicole Xu havde en NRC Research Associateship award i Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics ved NRL. Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) for teknisk support og vejledning.
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 |
References
- Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
- Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
- Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
- Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
- Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
- Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
- Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
- Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
- Park, Y. -. J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -. Y., Cho, K. -. J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
- Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985 (2012).
- Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
- Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
- Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
- Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
- Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
- Park, H., Park, Y. -. J., Lee, B., Cho, K. -. J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
- Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
- Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101 (2020).
- Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
- Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
- Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
- Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924 (2021).
- Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098 (2013).
- Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
- Springer. . Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , (2007).
- Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
- Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
- Academic Press. . Handbook of Shock Waves. , (2001).
- Yang, W. J. . Handbook of Flow Visualization. , (2018).
- Cowen, E. A., Chang, K. -. A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
- Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
- Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
- Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
- Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
- Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. . Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
- Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego – Porto. , 1-9 (2021).
- Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. . Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).
- Löhner, R. . Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).
- D20 Committee. . Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).
- Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).
