平面レーザー誘起蛍光イメージングを用いたフラップソフトフィン変形モデリング

Kaushik Sampath; Nicole Xu; Jason Geder; Marius Pruessner; Ravi Ramamurti

doi:10.3791/63784

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Method Article

平面レーザー誘起蛍光イメージングを用いたフラップソフトフィン変形モデリング

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 2022

Kaushik Sampath*¹, Nicole Xu*², Jason Geder², Marius Pruessner³, Ravi Ramamurti²

¹KS Research Inc, ²Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, ³Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory

* これらの著者は同等に貢献しました

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要約

現在のプロトコルは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)材料で構築された水中フラッピングフィンにおける3D形状変形の測定および特性評価を含む。これらの変形を正確に再構成することは、準拠した羽ばたきフィンの推進性能を理解するために不可欠です。

要約

さまざまな魚種のひれに触発された推進機構は、無人車両システムにおける操縦能力とステルス能力の向上の可能性を考慮して、ますます研究されています。これらのフィン機構の膜に使用される軟質材料は、より剛性の高い構造と比較して推力と効率を高めるのに有効であることが証明されていますが、これらの軟質膜の変形を正確に測定およびモデル化することが不可欠です。この研究は、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)を使用して、柔軟な水中羽ばたきフィンの時間依存的な形状変形を特徴付けるためのワークフローを提示する。さまざまな剛性(0.38MPaおよび0.82MPa)を有する顔料化ポリジメチルシロキサンフィン膜が製造され、ピッチおよびロールの2つの自由度で作動するためにアセンブリに取り付けられる。PLIF画像は、スパンワイズ平面の範囲にわたって取得され、フィン変形プロファイルを取得するために処理され、時間的に変化する3D変形フィン形状を再構成するために結合される。このデータは、流体-構造相互作用シミュレーションの忠実度の高い検証を提供し、これらの複雑な推進システムの性能の理解を深めるために使用されます。

概要

自然界では、多くの魚種が移動を達成するために様々な体とひれの動きを使うように進化してきました。魚の移動の原理を特定する研究は、生物学者とエンジニアが協力して水中車両用の有能な次世代推進および制御メカニズムを開発するため、バイオインスパイアされた推進システムの設計を推進するのに役立ちました。様々な研究グループがフィンの構成、形状、材料、ストロークパラメータ、および表面曲率制御技術¹、²、³、⁴、⁵、⁶、⁷、⁸、⁹、¹⁰^、¹¹^、¹²を研究している.シングルフィンおよびマルチフィンシステムにおける推力発生を理解するために、先端渦発生およびウェイク傾向を特徴付けることの重要性は、計算的および実験的13,14,15,16,17,18の両方の多数の研究で文書化されている。ウェイク傾斜を低減し、推力¹⁷を増加させるために様々な研究で示されている準拠材料で作られたフィン機構の場合、流動構造解析と組み合わせるためにそれらの変形時間履歴を捕捉し、正確にモデル化することも不可欠である。これらの結果は、計算モデルの検証、フィンの設計と制御の情報提供、検証が必要なフレキシブル材料の非定常流体力学的荷重におけるアクティブな研究分野の促進に使用できます¹⁹。研究では、フカヒレやその他の複雑な物体^20,21,22で直接高速画像ベースの形状追跡が使用されていますが、複雑な3Dフィン形状はしばしば光学アクセス^{をブロックし、測定}を困難にしています。したがって、柔軟なフィン運動を視覚化するための簡単で効果的な方法が切迫している。

準拠フィン機構で広く使用されている材料は、その低コスト、使いやすさ、剛性を変化させる能力、および水中用途²³との適合性のためにポリジメチルシロキサン(PDMS)である。これらの利点に加えて、PDMSは光学的にも透明であり、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)などの光学診断技術を用いた測定に役立ちます。伝統的に、実験流体力学²⁵内で、PLIFは、流体に色素または懸濁粒子を播種することによって、またはレーザーシート^26、27、²⁸^、²⁹に曝されたときに蛍光を発する流れに既に存在する種からの量子遷移を利用することによって^、流体の流れを視覚化するために使用されてきた。この確立された技術は、基本的な流体力学、燃焼、海洋力学²⁶、^30、31、³²^、³³を研究するために使用されてきました。

本研究では、PLIFを用いて、柔軟な魚に触発されたロボットフィンの形状変形の時空間的に分解された測定値を得る。流体に染料を播種する代わりに、PDMSフィンの水中運動学を様々な弦方向断面で視覚化する。平面レーザーイメージングは、蛍光を追加せずに通常のキャストPDMS上で実行できますが、PDMSを変更して蛍光を強化することで、フィン取り付けハードウェアなどの背景要素の影響を低減することで、画像の信号対雑音比(SNR)を向上させることができます。PDMSは、蛍光粒子播種または色素沈着のいずれかの2つの方法を採用することによって蛍光化することができる。所定の部品比に対して、前者が結果として得られる鋳造^PDMS34の剛性を変化させることが報告されている。したがって、無毒の市販の顔料を透明なPDMSと混合して、PLIF実験用の蛍光フィンを鋳造した。

計算モデル検証のためにこれらのフィン運動学測定値を使用する例を提供するために、実験運動学は、次いで、フィンの結合流体−構造相互作用(FSI)モデルからの値と比較される。計算に使用されるFSIモデルは、フィンの測定された材料特性を使用して計算された最初の7つの固有モードに基づいています。比較が成功すると、フィンモデルが検証され、フィンの設計と制御に計算結果を使用する際の信頼性が得られます。さらに、PLIFの結果は、この方法が将来の研究で他の数値モデルを検証するために使用できることを示しています。これらのFSIモデルに関する追加情報は、先行研究^35,36および計算流体力学法^37,38の基本テキストに見出すことができる。将来の研究では、固体変形と流体流の同時測定を可能にし、ロボットフィン、バイオインスパイアソフトロボット、およびその他のアプリケーションにおけるFSIの実験的研究を改善することもできます。さらに、PDMSやその他の相溶性エラストマーは、センサーや医療機器など、さまざまな分野で広く使用されているため、この技術を使用して柔軟な固体の変形を視覚化することは、工学、物理学、生物学、医学の研究者のより大きなコミュニティに利益をもたらすことができます。

プロトコル

1. フィン製作

希望の形状設計に基づいてフィンモールドを構築します。
1. フィン形状のカスタム3Dプリントされた光沢仕上げ金型を設計して構築します(図1)。金型の製作については、 補足コーディング・ファイル 1 から 4 の STL ファイルを参照してください。
2. 3D プリントされた硬質プラスチックの最先端スパーなどの構造要素を金型に挿入します。 補足コーディング・ファイル 2 の spar の STL ファイルを参照してください。
PDMS( 材料表を参照)を所望の部品比で混合する。
1. ベースエラストマーと硬化剤の部品比(すなわち、10:1または20:1)を選択して、それぞれより高いまたはより低い弾性率を達成する。対応する量のベースと硬化剤を秤量する。
  注:本研究では、10:1および20:1(エラストマー対硬化剤)の両方を使用した。
2. 顔料化の所望の明度に応じて、混合物全体が重量で0.1%〜1%の顔料を含むように蛍光顔料( 材料表を参照)を測定する。PDMSブレンドに顔料を追加します。
3. 測定された量のエラストマー、硬化剤、および顔料を遊星遠心ミキサーに注ぎ(423 x gで30秒間混合し、30秒間465 x gで脱気する)、それに応じて混合する。
金型にフィンを鋳造します。
1. PDMS混合物を脱気し、フィンの金型に注ぎます。金型を70°Cのオーブンに45分間入れ、37°Cで一晩硬化させた。
2. 硬化が完了したら、鋳造フィンを金型から取り外します(図2)。
ASTM規格³⁹に従って引張試験を実施します。
1. ステップ1.3で鋳造された各フィンについて、前述のステップ1.1.-1.3を使用して、同じPDMSおよび顔料ブレンドを使用して1つのタイプIV試料をタイプIV形状の金型に鋳造する。
  メモ: 補足コーディングファイル 5 (図 1C に示す金型) のタイプ IV サンプルを鋳造する STL ファイルを参照し、テストしたタイプ IV サンプルの例については 図 3 を参照してください。
2. 試験片を引張試験機にクランプします( 材料表を参照)。狭いサンプルセクションの初期の長さ、幅、および厚さ(mm)を測定します。
3. 試験片を5mm刻みで張力にかけ、試料が過延伸ではなく弾性領域のみに引き伸ばされたままであることを確認する。サンプル全体の変位が 0 mm (元の位置) になるまで、張力を 5 mm 単位で下げます。各増分で狭い断面の長さ(mm)と力(N)を記録します。
4. サンプルの弾性率を計算するには、応力-ひずみ曲線をプロットし、最適な線形適合値と^R2 値を決定します。

2. 実験のセットアップと試験

PLIF ハードウェア ( 材料表を参照) を長方形のガラス製水槽 (2.41 m x 0.76 m x 0.76 m) に取り付けます。
1. パルスレーザーシステム( 材料表を参照)をマウントして使用し、図4に示すように、指定された周波数(30Hz)でタンクの中間面で交差する平面光シートを生成します。
2. レンズ(35 mm)とロングパス蛍光フィルター(560 nm)を搭載した4 MP電荷結合素子(CCD)カメラを取り付けて使用します( 材料表を参照)。
3. レーザーシート面に配置された定規を使用してCCDカメラから単一の画像を撮影して、マイクロメートルからピクセルへの変換を校正します(図5)。カメラ上の 2 つの位置を選択し、ピクセルを区切って距離をマイクロメートル単位で除算します。このマイクロメートル対ピクセルの比率が、アプリケーションに対して十分に小さい (サブミリメートル) ことを確認します。
フィンソフトウェアからのトリガ出力と遅延発生器および関連ソフトウェアからの信号を使用して、レーザーパルスとカメラ画像をフラッピングフィンと同期させます( 材料表)を使用して、カメラ、レーザーヘッド、フィンモーションを調整します。見る 補足図1 遅延発生器ソフトウェアのインタフェース設定の例を示します。
1. レーザーシステムを設定します。
  メモ:すべてのレーザー安全対策が機関のガイドラインに従っていることを確認してください。
  1. 電源キーを右に回転させてレーザーシステムの電源を入れ、レーザーヘッドを冷却するチラーを動かします。システムがレーザーに電力を供給する準備ができるまで、障害ライトが点滅します。すべてのレーザーモードが正しく設定されるまで、レーザーをオンにする電源ボタンを押さないでください。
  2. トリガソースを EXT LAMP/EXT Q-SW (外部ランプ/外部 Q-スイッチ) に設定します。
  3. 両方のレーザーヘッドについて、レーザーエネルギーを所望のレベル(すなわち、フルパワーの約60%〜80%)に設定し、各Qスイッチボタンを押して Qスイッチ がオンになっていることを確認します。
  4. 電源ボタンを押してレーザーをオンにします。
    メモ: トリガソース がEXT LAMP/EXT Q-SWに設定されているため、レーザーヘッドは発射する準備ができていますが、システムがソフトウェアから外部トリガを受け取った後にのみ発射されます。
2. カメラを設定します。
  1. カメラに電源ケーブルを差し込み、コンピュータとソフトウェアが正しく接続されていることを確認します。
  2. カメラ設定ソフトウェアを開き、適切なポートを選択します。
    1. 「トリガー>設定」で、「トリガー入力:」を「外部」に、「モード:」を「高速」に設定します。
    2. 露出 の下で、「露出制御」をオフに設定します。
  3. カメラキャプチャソフトウェアを開き、適切なカメラカードを選択します。
    1. 「 シーケンスをつかむ」 ボタンをクリックします。
    2. [キャプチャ設定]ボタンをクリックし、[TIFF画像]を選択し、[一連のフレーム...]を選択して、目的のファイルパス、6桁の番号、連続、および[承諾]を選択します。
    3. [ キャプチャの開始]をクリックします。
      メモ:カメラ設定が外部トリガに設定されているため、カメラは画像を収集する準備ができていますが、システムがソフトウェアから外部トリガを受け取った後にのみこれらの画像をキャプチャします。
3. 遅延発生器を設定します。
  1. 遅延発生器の電源を入れ、外部ゲートチャンネルをフィントリガーに、チャンネルA~Dをレーザー(A:レーザーヘッド1、B:レーザー1にQスイッチ、C:レーザーヘッド2、D:レーザー2にQスイッチ)、チャンネルEをカメラに接続します。
  2. 遅延ジェネレータソフトウェアを開きます。
  3. バーストする「パルスモード」と4nsの「システム分解能」を選択します。
  4. "期間" を 0.0333333352 に設定します。
  5. 「外部トリガ/ゲートモード」をトリガ、「スレッショルド(V)」を0.20、「トリガエッジ」を上昇に設定します。
  6. チャンネル> Ch A で、「使用可能」チェックボックスをクリックします。「遅延」を0.0000000004、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機数」を0、「同期ソース」をT0、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をA、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
  7. チャンネル> Ch B で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.000138000、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機カウント」を0、「同期ソース」をCh A、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をB、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
  8. チャンネル> Ch C で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.033333304、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機回数」を0、「同期ソース」をCh A、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をC、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
  9. チャンネル> Ch D で、[有効] チェックボックスをオンにします。「遅延」を0.000138000、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャネルモード」をデューティサイクル、「待機回数」を0、「同期ソース」をCh C、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をD、「デューティサイクルオン」を1、「デューティサイクルオフ」を1、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
  10. チャンネル> Ch Eで、有効チェックボックスをクリックします。「遅延」を0.000000004、「幅」を0.005000000、「振幅(V)」を5.00、「チャンネルモード」をノーマル、「待機カウント」を0、「同期ソース」をT0、「極性」をノーマル、「マルチプレクサ」をE、「ゲートモード」をディセーブルに設定します。
レーザーシートがフィンの弦方向の1つのセクションを選択したスパンワイズの位置で通過するようにフィンを合わせ、フィンプラットフォームを取り付け金具で固定します。
電源をフィン制御ハードウェアとフィンモーター( 材料表を参照)に接続して、選択したキネマティクスでフィンの羽ばたきを開始し、すべてのアンビエントライトをオフにします。
遅延発生器ソフトウェアで Run を押して同期実験を開始し、ストロークサイクル全体を通じてレーザーシートとフィンの交点の画像を取得します。これは200以上のストロークサイクルにわたって実施する必要があります。
遅延発生器ソフトウェアの停止を押し、フィンを電源から外します。
レーザーシートが新しいスパンワイズ位置で交差するようにフィンプラットフォームを動かし、実験を実行して画像を再度取得します。手順 2.3.-2.6 を繰り返します。所望の測定値の数( 図2Aの黒い破線で示すように、8つの異なるスパン方向の位置)について。
フィンを追加のフィン膜(2つのフィン剛性、PDMS 10:1とPDMS 20:1)に置き換え、実験を繰り返します。

3. 画像解析

ステップ2.4で実施した各実験試行について、画像が保存されているファイルを見つけ、ストロークサイクル全体を通して各フィン位置または位相のサブフォルダを作成します。画像ファイルを対応するサブフォルダにソートします。
フィンフェーズサブフォルダごとに、200以上の画像をピクセル値配列(imread.m)として読み込みます。すべての画像のピクセル値配列を合計し、画像の数で割って平均画像を生成します。イメージを新しいファイル (imwrite.m) に書き込みます。ストロークサイクル(30ポジション)を通して、各フィン位置についてこの手順を繰り返します。
各平均画像(imadjust.m)でヒストグラム強調を実行して、画像のダイナミックインテンシティ範囲を使用可能な範囲いっぱいに拡張し、フィンと背景のコントラストを向上させます。
強度のしきい値を設定し、各画像を二値化して白黒画像(imbinarize.m)を取得します。結果として得られる白い形状は、フィン断面の断片に対応するはずです。
バイナリ画像(bwareafilt.m)からすべての白いオブジェクト(フィンピース)を抽出し、画像(imshow.m)を表示します。各画像のバイナリ画像境界のトレースを作成し、背景(黒)ピクセル(bwboundaries.m)に触れるすべてのフィン(白)ピクセルを選択して2D形状を取得します。
注:フィンキネマティクスが課せられているため、一部のフレームで測定されたPLIF断面のビューがフィンの別の部分によって遮られることがあります。このような場合、画像から明らかなコヒーレントフィン形状がないか、またはリーディングエッジ(LE)のみが見えるままになります(図6)。
手順 3.1.-3.5 を実行します。各フィン断面について。

4. 3Dたわみの再構築

フレキシブルケースにおけるLE位置(少なくともストローク軸に近い)が、同じ形状の剛性フィンにおけるLEの位置と同じであると仮定して、平面を同じ時間ステップでそれらのLEに沿って切断し、対応する剛性フィン形状の結果と比較する。
最小二乗フィットを使用して、すべての平面カットのフィン断面の結果の中心線形状を近似し、これらのフィットプロファイルから単純化された凸包を使用して 3D フィン形状を再構築します。
得られたフィン形状を3D FSIモデル(中心線から生成)と比較して、このプロセスを忠実度の高い検証として使用する方法を紹介します。
1. 部分的に剛性ナイロンと部分的に柔軟なPDMSフィンの表面三角測量を生成します。
2. 市販の構造ダイナミクスソフトウェア(材料表を参照)を使用して、ハイブリッド材料の固有モードを取得します。
  1. スケーリングスタディを実行して、フィン表面の均一な圧力差を使用して得られた定常状態の変位に一致させます。
  2. ソフトウェアから取得した変位に合わせてモードをスケーリングします。
3. 適切なスケール係数で、結合FSIソルバーで使用される最初のいくつかのドミナントモード(通常は7または8)を使用して、フレキシブルフィン上の非定常流れをシミュレートします。
  1. ボディをバックグラウンドメッシュに埋め込まれたエンティティとして扱います。
    注: 結合ソルバーは、背面³⁵ に柔軟な刺し傷がある円形円柱上を流れる Turek-Hron問題に対して検証され、羽ばたきフィンシミュレーション³⁶ 用に拡張されました。
  2. 実験からひれの動きの運動学を規定する。
  3. フラッピングサイクル全体を通して、力の生産の時間履歴といくつかの平面切断に沿ったフィンの形状を監視し、実験と比較します。

結果

台形の魚にインスパイアされた人工胸びれを、2つの異なる材料(PDMS 10:1と20:1、どちらも蛍光色素と混合)で型から鋳造し、それぞれに剛性のある前縁スパーを先頭の四分音に挿入しました(図2 と図3)。2つのフィン材料(図3)の引張試験では、PDMS 20:1およびPDMS 10:1フィンの弾性率がそれぞれ0.38MPaおよび0.82MPaであり、両方の測定で...

ディスカッション

平面レーザー誘起蛍光は、典型的には、流体を染料で播種することによって水性流れを視覚化するために使用され、これはレーザーシート²⁵^、²⁶に曝されたときに蛍光を発する。しかし、PLIFを用いて適合材料の変形を可視化することはこれまで報告されておらず、本研究では、PLIFを用いてフレキシブルソリッドフィンの高分解能形状変形の時間履?...

開示事項

著者らは開示するものは何もありません。

謝辞

この研究は、米国海軍研究所(NRL)6.2ベースプログラムを通じて海軍研究局によって支援され、Kaushik SampathがNRLの音響部門の従業員であり、Nicole XuがNRLの計算物理学および流体力学研究所でNRCリサーチアソシエイトシップ賞を受賞した間に実施されました。著者らは、Ruben Hortensius博士(TSI Inc.)の技術サポートと指導に感謝したいと思います。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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

参考文献

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