柔らかいロボットフィンの変形を非侵入的に測定する能力は、水中車両のフィン設計と制御により良い情報を提供し、計算モデルを検証できるため、重要です。プレーナーレーザー誘起蛍光と呼ばれる流体力学内の既存のツールを再利用し、固体用に拡張して、固体と流体の同時測定に使用することができます。この方法は、ソフトロボットシステムやソフトな材料に一般化できます。
この技術は、流体構造の相互作用を検証するだけでなく、センサーや医療用途向けの柔軟な材料の研究にも使用できます。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することから始めます。長方形のガラス製水槽にパルスレーザーシステムを取り付けて実験セットアップを準備し、30ヘルツでタンクのミッドプレーンで交差するプレーナーライトシートを生成します。
35ミリメートルレンズと516ナノメートルのロングパス蛍光フィルターを備えた4メガピクセルの電荷結合デバイス、またはCCDカメラを取り付けます。設置後、レーザーシート面内に定規を配置したCCDカメラから1枚の画像を撮影してマイクロメータからピクセル変換までのキャリブレーションを行う。次に、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で除算します。
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か、サブミリメートルの範囲であることを確認します。フィンソフトウェアからのトリガー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。すべてのレーザーの安全性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。
レーザーシステムを設定するには、チラーを動かしてレーザーヘッドを冷却するパワーキーでレーザーシステムをオンにします。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。トリガーソースを外部ランプ、外部Qスイッチに設定します。
両方のレーザーヘッドで、レーザーエネルギーをフルパワーの60〜80%に設定し、各Qスイッチボタンを押します。次に、電源ボタンを押してレーザーをオンにします。次に、カメラに電源ケーブルを差し込み、コンピュータへの適切な接続を確認してから、カメラ設定ソフトウェアを開いて適切なポートを選択します。
遅延発生器をオンにした後、外部ゲートチャンネルをフィントリガーに接続し、チャンネルEをカメラに、チャンネルAからDをレーザーに接続します。次に、遅延発生器ソフトウェアを開き、バーストするパルスモードとシステム分解能を4ナノ秒に選択します。ピリオドを秒単位で設定します。
外部トリガ/ゲートモードをトリガに、スレッショルドを0.20ボルトに、トリガエッジを上昇に調整します。また、スクリプトの説明に従ってチャネルを設定します。レーザーシートがフィンのコード方向の1つの部分をスパン方向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。レーザーシートをオンにし、周囲照明をオフにして、タンク内のフィンが羽ばたくのを観察します。
完了したら、停止を押してからフィンを電源から外します。フィンプラットフォームを動かして、レーザーシートが新しいスパンワイズの位置で交差するようにします。フィンを追加のフィン膜に置き換え、前に示したように実験を行い、必要な測定回数の画像を取得します。
BW領域からフィン断面を表す白物をすべて抽出して画像を解析し、フィルトドットMの2値画像とM表示ドットMで画像を表示してから、画像ごとに2値画像境界の痕跡を作成し、黒い背景画素に触れるすべてのフィン画素を選択して2D形状を得る。得られたフィン形状を、中心線から生成された3D流体構造相互作用(FSIモデル)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。プログラムされたフィン運動学は、43度のストローク振幅と17度のピッチ振幅をもたらした。
この画像は、ストロークの 2 つの位置での比較を示しています。1つはアップストロークの真ん中にあり、もう1つはダウンストロークの真ん中にあります。さらに、PDMS10の形状変形を1つ、およびPDMS20を1つのフィンに対して比較した。
3Dフィン形状は、プレーナーレーザー誘起蛍光、FSI、およびミッドアップストロークの剛性ケースから再構築され、FSIシミュレーションに高い忠実度検証を提供する本技術の能力を実証した。実験では、フィンの断面は、不透明な剛性スパーのためにすべてのステップで見えませんでした。画像は、ひれが見えなかった結果を示しています。
覚えておくべき最も重要なことは、完全な実験を実行する前にコンポーネントの同期をテストすることです。タイミングを設定したら、まずテスト実行を実行します。
