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  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Le présent protocole implique la mesure et la caractérisation de la déformation de forme 3D dans les ailettes battantes sous-marines construites avec des matériaux polydiméthylsiloxane (PDMS). Une reconstruction précise de ces déformations est essentielle pour comprendre les performances propulsives des ailettes battantes conformes.

Résumé

Les mécanismes propulsifs inspirés des nageoires de diverses espèces de poissons ont été de plus en plus étudiés, compte tenu de leur potentiel d’amélioration des capacités de manœuvre et de furtivité dans les systèmes de véhicules sans pilote. Les matériaux mous utilisés dans les membranes de ces mécanismes d’ailettes se sont révélés efficaces pour augmenter la poussée et l’efficacité par rapport aux structures plus rigides, mais il est essentiel de mesurer et de modéliser avec précision les déformations de ces membranes molles. Cette étude présente un flux de travail pour caractériser la déformation de forme dépendante du temps des ailettes de battement sous-marines flexibles à l’aide de la fluorescence planaire induite par laser (PLIF). Des membranes pigmentées d’ailettes de polydiméthylsiloxane avec des rigidités variables (0,38 MPa et 0,82 MPa) sont fabriquées et montées sur un ensemble pour l’actionnement à deux degrés de liberté: tangage et roulis. Les images PLIF sont acquises sur une gamme de plans spanwise, traitées pour obtenir des profils de déformation des ailettes et combinées pour reconstruire des formes d’ailettes déformées 3D variant dans le temps. Les données sont ensuite utilisées pour fournir une validation haute fidélité pour les simulations d’interaction fluide-structure et améliorer la compréhension des performances de ces systèmes de propulsion complexes.

Introduction

Dans la nature, de nombreuses espèces de poissons ont évolué pour utiliser une variété de mouvements du corps et des nageoires pour atteindre la locomotion. La recherche visant à identifier les principes de la locomotion des poissons a contribué à la conception de systèmes de propulsion bioinspirés, car les biologistes et les ingénieurs ont travaillé ensemble pour développer des mécanismes de propulsion et de contrôle de nouvelle génération capables pour les véhicules sous-marins. Divers groupes de recherche ont étudié les configurations d’ailettes, les formes, les matériaux, les paramètres de course et les techniques de contrôle de la courbure de surface 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . L’importance de caractériser la génération de vortex de pointe et l’inclinaison du sillage pour comprendre la génération de poussée dans les systèmes à une ou plusieurs nageoires a été documentée dans de nombreuses études, à la fois computationnelles et expérimentales 13,14,15,16,17,18. Pour les mécanismes d’ailettes fabriqués à partir de matériaux conformes, montrés dans diverses études pour réduire l’inclinaison du sillage et augmenter la poussée17, il est également essentiel de capturer et de modéliser avec précision leur historique de déformation pour les associer à l’analyse de la structure d’écoulement. Ces résultats peuvent ensuite être utilisés pour valider des modèles informatiques, éclairer la conception et le contrôle des ailettes et faciliter les domaines de recherche actifs dans des charges hydrodynamiques instables sur des matériaux flexibles, qui nécessitent une validation19. Des études ont utilisé le suivi direct de la forme basé sur l’image à grande vitesse dans les ailerons de requin et d’autres objets complexes 20,21,22, mais la forme complexe des ailerons 3D bloque souvent l’accès optique, ce qui le rend difficile à mesurer. Ainsi, il existe un besoin pressant d’une méthode simple et efficace pour visualiser le mouvement flexible des ailettes.

Un matériau largement utilisé dans les mécanismes d’ailettes conformes est le polydiméthylsiloxane (PDMS) en raison de son faible coût, de sa facilité d’utilisation, de sa capacité à varier la rigidité et de sa compatibilité avec les applications sous-marines23, comme décrit en détail dans une revue de Majidi et al.24. En plus de ces avantages, le PDMS est également optiquement transparent, ce qui est propice aux mesures utilisant une technique de diagnostic optique telle que la fluorescence planaire induite par laser (PLIF). Traditionnellement dans le cadre de la mécanique expérimentale des fluides25, PLIF a été utilisé pour visualiser les écoulements de fluide en ensemençant le fluide avec du colorant ou des particules en suspension ou en tirant parti des transitions quantiques d’espèces déjà dans le flux qui fluorescent lorsqu’elles sont exposées à une feuille laser 26,27,28,29. Cette technique bien établie a été utilisée pour étudier la dynamique fondamentale des fluides, la combustion et la dynamique des océans 26,30,31,32,33.

Dans la présente étude, PLIF est utilisé pour obtenir des mesures spatio-temporellement résolues de la déformation de la forme dans des nageoires robotiques flexibles inspirées des poissons. Au lieu d’ensemencer le fluide avec du colorant, la cinématique sous-marine d’une nageoire PDMS est visualisée à différentes sections transversales d’accords. Bien que l’imagerie laser planaire puisse être effectuée sur des PDMS coulés réguliers sans fluorescence supplémentaire, la modification du PDMS pour améliorer la fluorescence peut améliorer le rapport signal/bruit (SNR) des images en réduisant les effets des éléments d’arrière-plan, tels que le matériel de montage des ailettes. Le PDMS peut être rendu fluorescent en utilisant deux méthodes, soit par ensemencement de particules fluorescentes, soit par pigmentation. Il a été rapporté que, pour un rapport de pièce donné, le premier modifie la rigidité du PDMScoulé résultant 34. Par conséquent, un pigment non toxique disponible dans le commerce a été mélangé à du PDMS transparent pour couler des ailettes fluorescentes pour les expériences PLIF.

Pour fournir un exemple d’utilisation de ces mesures cinématiques d’ailettes pour la validation de modèles informatiques, la cinématique expérimentale est ensuite comparée aux valeurs des modèles d’interaction fluide-structure couplée (FSI) de la nageoire. Les modèles FSI utilisés dans les calculs sont basés sur les sept premiers modes propres calculés à l’aide des propriétés des matériaux mesurées pour les ailettes. Des comparaisons réussies valident les modèles d’ailettes et donnent confiance dans l’utilisation des résultats de calcul pour la conception et le contrôle des ailettes. De plus, les résultats du PLIF démontrent que cette méthode peut être utilisée pour valider d’autres modèles numériques dans de futures études. Des informations supplémentaires sur ces modèles FSI peuvent être trouvées dans des travaux antérieurs35,36 et dans des textes fondamentaux de méthodes computationnelles de dynamique des fluides37,38. Les études futures peuvent également permettre des mesures simultanées des déformations solides et des écoulements de fluides pour améliorer les études expérimentales du FSI dans les ailettes robotiques, les robots mous bioinspirés et d’autres applications. En outre, étant donné que le PDMS et d’autres élastomères compatibles sont largement utilisés dans divers domaines, y compris les capteurs et les dispositifs médicaux, la visualisation des déformations dans les solides flexibles à l’aide de cette technique peut bénéficier à une plus grande communauté de chercheurs en ingénierie, physique, biologie et médecine.

Protocole

1. Fabrication des ailettes

  1. Construisez un moule à ailettes basé sur la conception de forme souhaitée.
    1. Concevez et construisez un moule personnalisé en forme d’ailette en forme d’aileron imprimé en 3D (Figure 1). Voir fichiers STL pour la fabrication du moule dans les fichiers de codage supplémentaires 1-4.
    2. Insérez des éléments structurels dans le moule, tels qu’un longeron en plastique rigide imprimé en 3D. Voir le fichier STL du spar dans le fichier de codage supplémentaire 2.
  2. Mélangez pdMS (voir tableau des matériaux) dans le rapport de pièce souhaité.
    1. Sélectionnez le rapport de pièce de l’élastomère de base à l’agent de durcissement (c.-à-d. 10:1 ou 20:1) pour obtenir un module d’élasticité supérieur ou inférieur, respectivement. Peser les quantités correspondantes de base et de durcisseur.
      REMARQUE: 10: 1 et 20: 1 (élastomère à agent de durcissement) ont été utilisés dans la présente étude.
    2. Mesurer le pigment fluorescent (voir tableau des matériaux) de telle sorte que le mélange total contienne 0,1% à 1% de pigment en poids, en fonction de la luminosité souhaitée de la pigmentation. Ajouter le pigment au mélange PDMS.
    3. Verser les quantités mesurées d’élastomère, de durcisseur et de pigment dans un mélangeur centrifuge planétaire (mélange à 423 x g pendant 30 s et désaération à 465 x g pendant 30 s) et mélanger en conséquence.
  3. Coulez l’aileron dans le moule.
    1. Dégazez et versez le mélange PDMS dans le moule pour l’ailette. Placez le moule dans le four à 70 °C pendant 45 min et laissez-le durcir toute la nuit à 37 °C.
    2. Une fois le durcissement terminé, retirez l’ailette coulée du moule (Figure 2).
  4. Effectuer des essais de traction conformément à la norme ASTM39.
    1. Pour chaque ailette coulée à l’étape 1.3., couler un spécimen de type IV en utilisant le même PDMS et le même mélange de pigments dans un moule en forme de type IV en utilisant les étapes 1.1.-1.3 décrites précédemment.
      REMARQUE : Voir les fichiers STL pour couler l’échantillon de type IV dans le fichier de codage supplémentaire 5 (moule illustré à la figure 1C), et voir la figure 3 pour des exemples d’échantillons de type IV testés.
    2. Serrez l’éprouvette dans la machine d’essai de traction (voir tableau des matériaux). Mesurez la longueur, la largeur et l’épaisseur (mm) initiales de la section étroite de l’échantillon.
    3. Soumettre l’échantillon d’essai à une tension par incréments de 5 mm, en veillant à ce que l’échantillon reste étiré dans la région élastique uniquement, et non trop étiré. Diminuer la tension par incréments de 5 mm jusqu’à ce que le déplacement total de l’échantillon soit de 0 mm (position d’origine). Enregistrez les longueurs (mm) et les forces (N) de la section étroite à chaque incrément.
    4. Pour calculer le module d’élasticité de l’échantillon, tracez la courbe contrainte-déformation et déterminez le meilleur ajustement linéaire et la valeur R2 .

2. Configuration expérimentale et essais

  1. Montez le matériel PLIF (voir Tableau des matériaux) sur un réservoir d’eau rectangulaire en verre (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
    1. Montez et utilisez un système laser pulsé (voir Tableau des matériaux) pour générer une feuille de lumière plane qui coupe le réservoir à son plan médian à une fréquence spécifiée (30 Hz), comme le montre la figure 4.
    2. Montez et utilisez une caméra CCD (Charge-Coupled Device) de 4 MP équipée d’un objectif (35 mm) et d’un filtre de fluorescence passe-long (560 nm) (voir Tableau des matériaux).
    3. Calibrez la conversion micromètre-pixel en prenant une seule image de la caméra CCD avec une règle placée dans le plan de la feuille laser (Figure 5). Sélectionnez deux positions sur l’appareil photo et divisez la distance en micromètres en séparant les pixels. Assurez-vous que ce rapport micromètre/pixel est suffisamment petit (inférieur au millimètre) pour l’application.
  2. Synchronisez les impulsions laser et les images de la caméra avec l’aileron battant à l’aide des sorties de déclenchement du logiciel d’ailette et des signaux d’un générateur de retard et du logiciel associé (voir Tableau des matériaux) pour coordonner la caméra, les têtes laser et le mouvement des ailettes. Voir Figure supplémentaire 1 pour un exemple des paramètres de l’interface du logiciel du générateur de retard.
    1. Réglez le système laser.
      REMARQUE: Assurez-vous que toutes les mesures de sécurité laser sont conformes aux directives de l’établissement.
      1. Allumez le système laser en tournant la touche d’alimentation vers la droite pour faire fonctionner le refroidisseur qui refroidit les têtes laser. Le voyant de défaut clignote jusqu’à ce que le système soit prêt à alimenter les lasers. N’appuyez pas sur le bouton d’alimentation qui allume les lasers tant que tous les modes laser ne sont pas correctement réglés.
      2. Réglez la source de déclenchement sur EXT LAMP/EXT Q-SW (lampe externe/commutateur Q externe).
      3. Pour les deux têtes laser, réglez l’énergie laser au niveau souhaité (c’est-à-dire environ 60 % à 80 % de la pleine puissance) et assurez-vous que le Q-switch est allumé en appuyant sur chaque bouton Q-switch .
      4. Allumez les lasers en appuyant sur le bouton d’alimentation.
        REMARQUE: Comme la source de déclenchement est réglée sur EXT LAMP / EXT Q-SW, les têtes laser sont prêtes à tirer, mais ne se déclenchent qu’après que le système ait reçu un déclencheur externe du logiciel.
    2. Réglez l’appareil photo.
      1. Branchez les câbles d’alimentation à l’appareil photo et assurez-vous que les connexions à l’ordinateur et au logiciel sont correctement connectées.
      2. Ouvrez le logiciel des paramètres de l’appareil photo et sélectionnez le port approprié.
        1. Sous Paramètres de déclenchement >, définissez « Trigger in: » sur Externe et « Mode: » sur Rapide.
        2. Sous Exposition, réglez « Contrôle de l’exposition » sur Désactivé.
      3. Ouvrez le logiciel de capture de l’appareil photo et sélectionnez la carte de l’appareil photo appropriée.
        1. Cliquez sur le bouton Grab Sequence .
        2. Cliquez sur le bouton Paramètres de capture , sélectionnez images TIFF, sélectionnez Série d’images ..., et sélectionnez le chemin de fichier souhaité, Numéro à 6 chiffres, Continu et Accepter.
        3. Cliquez sur Démarrer la capture.
          REMARQUE: Comme les paramètres de la caméra sont réglés sur un déclencheur externe, l’appareil photo est prêt à collecter des images, mais ne capture ces images qu’après que le système a reçu un déclencheur externe du logiciel.
    3. Réglez le générateur de retard.
      1. Allumez le générateur de retard et connectez le canal de porte externe au déclencheur d’ailette, les canaux A-D au laser (A: tête laser 1, B: Q-switch au laser 1, C: tête laser 2 et D: Q-switch au laser 2) et le canal E à la caméra.
      2. Ouvrez le logiciel générateur de retard.
      3. Sélectionnez le « Mode d’impulsion » en rafale et « Résolution système » à 4 ns.
      4. Définissez la ou les « Période(s) » sur 0,033333352.
      5. Réglez le « Mode déclencheur externe / porte » sur Déclenché, « Seuil (V) » sur 0,20 et « Bord de déclenchement » comme Montant.
      6. Sur Canaux > Ch A, cochez la case Activé . Réglez le (les) « Délai(s) » sur 0,000000004, « Largeur(s) » sur 0,005000000, « Amplitude (V) » sur 5,00, « Mode canal » sur Cycle de service, « Nombre d’attentes » sur 0, « Source de synchronisation » sur T0, « Polarité » sur Normal, « Multiplexeur » sur A, « Cycle de service activé » sur 1, « Cycle d’utilisation désactivé » sur 1 et « Mode porte » sur Désactivé.
      7. Sur Canaux > Ch B, cochez la case Activé . Réglez le (les) « Délai(s) » sur 0,000138000, « Largeur(s) » sur 0,005000000, « Amplitude (V) » sur 5,00, « Mode canal » sur Cycle de service, « Nombre d’attentes » sur 0, « Source de synchronisation » sur Ch A, « Polarité » sur Normal, « Multiplexeur » sur B, « Cycle de service activé » sur 1, « Cycle d’utilisation désactivé » sur 1 et « Mode porte » sur Désactivé.
      8. Sur Canaux > Ch C, cochez la case Activé . Réglez le « Délai(s) » sur 0,033333304, « Largeur(s) » sur 0,005000000, « Amplitude (V) » sur 5,00, « Mode canal » sur Cycle de service, « Nombre d’attentes » sur 0, « Source de synchronisation » sur Ch A, « Polarité » sur Normal, « Multiplexeur » sur C, « Cycle de service activé » sur 1, « Cycle d’utilisation désactivé » sur 1 et « Mode porte » sur Désactivé.
      9. Sur Canaux > Ch D, cochez la case Activé . Réglez le (les) « Délai(s) » sur 0,000138000, « Largeur(s) » sur 0,005000000, « Amplitude (V) » sur 5,00, « Mode canal » sur Cycle d’utilisation, « Nombre d’attentes » sur 0, « Source de synchronisation » sur Ch C, « Polarité » sur Normal, « Multiplexeur » sur D, « Cycle de service activé » sur 1, « Cycle d’utilisation désactivé » sur 1 et « Mode porte » sur Désactivé.
      10. Sur Canaux > Ch E, cochez la case Activé . Définissez le (les) « Délai(s) » sur 0,000000004, « Largeur(s) » sur 0,005000000, « Amplitude (V) » sur 5,00, « Mode canal » sur Normal, « Nombre d’attente » sur 0, « Source de synchronisation » sur T0, « Polarité » sur Normal, « Multiplexeur » sur E et « Mode Porte » sur Désactivé.
  3. Alignez l’ailette de sorte que la feuille laser passe à travers une section de l’aileron dans le sens des cordes à une position spanwise sélectionnée et fixez la plate-forme d’ailettes avec le matériel de montage.
  4. Connectez l’alimentation au matériel de commande des ailettes et aux moteurs d’ailettes (voir Tableau des matériaux) pour commencer à battre les ailettes avec la cinématique sélectionnée et éteignez toutes les lumières ambiantes.
  5. Appuyez sur Exécuter dans le logiciel générateur de retard pour commencer les expériences synchronisées et acquérir des images de l’intersection de la feuille laser avec l’ailette tout au long du cycle de course. Cela doit être effectué sur plus de 200 cycles d’AVC.
  6. Appuyez sur Arrêter dans le logiciel du générateur de retard et déconnectez l’ailette de la source d’alimentation.
  7. Déplacez la plate-forme d’ailettes de sorte que la feuille laser se croise à une nouvelle position dans le sens de l’étendue et effectuez des expériences pour acquérir à nouveau les images. Répétez les étapes 2.3.-2.6. pour le nombre de mesures souhaitées (huit positions différentes dans le sens de l’étendue, comme le montrent les lignes pointillées noires de la figure 2A).
  8. Remplacez l’ailette par d’autres membranes d’ailettes souhaitées (deux rigidités de nageoires, PDMS 10:1 et PDMS 20:1) et répétez les expériences.

3. Analyse d’images

  1. Pour chaque essai expérimental mené à l’étape 2.4., localisez le fichier dans lequel les images sont stockées et créez un sous-dossier pour chaque position ou phase de la nageoire tout au long du cycle de course. Triez les fichiers image dans leurs sous-dossiers correspondants.
  2. Pour chaque sous-dossier de phase d’aileron, lisez les plus de 200 images sous forme de tableaux de valeurs de pixels (imread.m). Additionnez les tableaux de valeurs de pixels pour toutes les images et divisez-les par le nombre d’images pour générer une image moyenne. Écrivez l’image dans un nouveau fichier (imwrite.m). Répétez cette étape pour chaque position d’aileron tout au long du cycle de course (30 positions).
  3. Effectuez une amélioration de l’histogramme sur chaque image moyenne (imadjust.m) pour étendre la plage d’intensité dynamique des images à toute la plage disponible afin d’améliorer le contraste entre la nageoire et l’arrière-plan.
  4. Définissez les seuils d’intensité et binariser chaque image pour obtenir une image en noir et blanc (imbinarize.m). Les formes blanches résultantes doivent correspondre à des morceaux de la section transversale de l’aileron.
  5. Extrayez tous les objets blancs (morceaux de nageoires) de l’image binaire (bwareafilt.m) et affichez l’image (imshow.m). Créez une trace de la limite d’image binaire pour chaque image afin d’obtenir une forme 2D en sélectionnant tous les pixels de fin (blanc) qui touchent les pixels d’arrière-plan (noirs) (bwboundaries.m).
    REMARQUE: En raison de la cinématique des ailettes imposée, la vue de la section transversale mesurée par plif dans certaines images peut être obstruée par une autre partie de l’aileron. Dans de tels cas, soit il n’y a pas de forme cohérente de nageoire apparente sur les images, soit seule l’arête d’attaque (LE) reste visible (Figure 6).
  6. Effectuez les étapes 3.1.-3.5. pour chaque section transversale d’ailettes.

4. Reconstruction de la déviation 3D

  1. En supposant que la position DE L’EL (au moins plus près de l’axe de course) dans les boîtiers flexibles est la même que celle de la LE dans une ailette rigide de même forme, aligner les coupes du plan le long de leur LE pour le même pas de temps et comparer avec les résultats de la forme de l’aileron rigide correspondante.
  2. Utilisez un ajustement des moindres carrés pour approximer la forme d’axe résultante de la section transversale de l’aileron pour toutes les coupes planes et reconstruisez la forme de l’aileron 3D à l’aide d’une coque convexe simplifiée à partir de ces profils ajustés.
  3. Comparez les formes d’ailettes résultantes avec des modèles FSI 3D (générés à partir de leurs lignes médianes) pour montrer comment ce processus peut être utilisé comme validation haute fidélité.
    1. Générez une triangulation de surface de l’aileron PDMS en nylon partiellement rigide et partiellement flexible.
    2. Utilisez un logiciel commercial de dynamique structurelle (voir Tableau des matériaux) pour obtenir les modes propres du matériau hybride.
      1. Effectuer des études de détartrage pour correspondre au déplacement à l’état d’équilibre obtenu en utilisant une différence de pression uniforme sur les surfaces des ailettes.
      2. Mettez à l’échelle les modes en fonction du déplacement obtenu à partir du logiciel.
    3. Avec le facteur d’échelle approprié, utilisez les premiers modes dominants (généralement 7 ou 8) utilisés dans le solveur FSI couplé pour simuler le flux instable sur l’aileron flexible.
      1. Traitez le corps comme une entité incorporée dans un maillage d’arrière-plan.
        REMARQUE: Le solveur couplé a été validé pour le problème Turek-Hron de l’écoulement sur un cylindre circulaire avec une piqûre flexible à l’arrière35 et étendu pour les simulations d’ailettes battantes36.
      2. Prescrire la cinématique du mouvement de la nageoire à partir des expériences.
      3. Surveillez l’historique temporel de la production de force et la forme de l’aileron le long de plusieurs coupes planes tout au long du cycle de battement, et comparez-le avec des expériences.

Résultats

Une nageoire pectorale artificielle inspirée du poisson trapézoïdal a été coulée dans deux matériaux différents (PDMS 10:1 et 20:1, tous deux mélangés à un colorant fluorescent) à partir d’un moule, chacun avec un longeron rigide de bord d’attaque inséré dans la corde du quart d’attaque (Figure 2 et Figure 3). Les essais de traction des deux matériaux d’ailettes (figure 3) ont donné des modules élastiques de...

Discussion

La fluorescence plane induite par laser est généralement utilisée pour visualiser les écoulements aqueux en ensemençant le fluide avec un colorant, qui fluoresce lorsqu’il est exposé à une feuille laser25,26. Cependant, l’utilisation de PLIF pour visualiser les déformations dans les matériaux conformes n’a pas été rapportée auparavant, et cette étude décrit une approche pour obtenir des mesures d’historique temporel de la déformation de for...

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été soutenue par l’Office of Naval Research dans le cadre d’un programme de base 6.2 du US Naval Research Laboratory (NRL) et a été réalisée alors que Kaushik Sampath était un employé de la division acoustique de la NRL et que Nicole Xu détenait un prix d’associé de recherche du CNRC dans les Laboratoires de physique computationnelle et de dynamique des fluides de la NRL. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Ruben Hortensius (TSI Inc.) pour son soutien technique et ses conseils.

matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
ADMET controllerADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMicrocontroller for the fin hardware
Berkeley Nucleonics Delay GeneratorBerkeley Nucleonics CorpModel 525BNC delay generator and software
BobCat Cam ConfigImperxCamera settings software
CCD cameraImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncCommercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling
D646WP ServoHitec36646S32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation
D840WP ServoHitec36840S32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation
Electric Pink fluorescent pigmentSilc PigPMS812C
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system)QuantelEVG00070Laser head and power supply, 70 mJ
Force transducerADMETSM-10-96110 lbf load cell
FrameLink ExpressImperxCamera capture software
Longpass fluorescence filterEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksSoftware for image analysis
Planetary centrifugal mixerTHINKY MIXERAR-100
Silicone rubber compoundsMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D printer, polyjet
Universal testing machineADMETeXpert 2611Table top model
VeroBlackStratasys3D printer material to build the molds
VeroGrayStratasys3D printer material to build the molds

Références

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
  25. Springer. . Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741 (2001).
  28. Academic Press. . Handbook of Shock Waves. , (2001).
  29. Yang, W. J. . Handbook of Flow Visualization. , (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -. A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. . Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. 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).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. . Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).
  38. Löhner, R. . Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).
  39. D20 Committee. . Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).

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