Modelagem de deformação da barbatana macia usando imagens de fluorescência induzidas por laser planar

Resumo

O presente protocolo envolve a medição e caracterização da deformação de forma 3D em aletas subaquáticas construídas com materiais de polidimetilsiloxano (PDMS). A reconstrução precisa dessas deformações é essencial para entender o desempenho propulsivo das aletas de flapping compatíveis.

Resumo

Mecanismos propulsivos inspirados nas barbatanas de várias espécies de peixes têm sido cada vez mais pesquisados, dado seu potencial para melhorar as manobras e capacidades furtivas em sistemas de veículos não tripulados. Materiais macios utilizados nas membranas desses mecanismos de barbatana têm se mostrado eficazes no aumento do impulso e eficiência em comparação com estruturas mais rígidas, mas é essencial medir e modelar as deformações nessas membranas macias com precisão. Este estudo apresenta um fluxo de trabalho para caracterizar a deformação de forma dependente do tempo de aletas de flapping subaquáticas flexíveis usando fluorescência induzida por laser planar (PLIF). As membranas de barbatana de polidimetilaxano pigmentada com rigidezs variadas (0,38 MPa e 0,82 MPa) são fabricadas e montadas em um conjunto para atuação em dois graus de liberdade: arremesso e rolo. As imagens PLIF são adquiridas em uma variedade de planos spanwise, processados para obter perfis de deformação de barbatanas e combinados para reconstruir formas de barbatanas deformadas 3D que variam o tempo. Os dados são então usados para fornecer validação de alta fidelidade para simulações de interação de estrutura de fluidos e melhorar a compreensão do desempenho desses sistemas complexos de propulsão.

Introdução

Na natureza, muitas espécies de peixes evoluíram para usar uma variedade de movimentos corporais e barbatanas para alcançar a locomoção. Pesquisas para identificar os princípios da locomoção de peixes ajudaram a impulsionar o projeto de sistemas de propulsão bioinspirados, já que biólogos e engenheiros trabalharam juntos para desenvolver mecanismos capazes de propulsão e controle de próxima geração para veículos submarinos. Vários grupos de pesquisa estudaram configurações de barbatanas, formas, materiais, parâmetros de avc e técnicas de controle de curvatura^superficial 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . A importância de caracterizar a geração de vórtices de ponta e a inclinação da esteira para entender a geração de impulsos em sistemas de single e multi-fin tem sido documentada em inúmeros estudos, tanto computacionais quanto experimentais 13,14,15,16,17,18. Para os mecanismos de barbatana feitos de materiais compatíveis, mostrados em vários estudos para reduzir a inclinação da vigília e aumentar o impulso¹⁷, também é essencial capturar e modelar com precisão seu histórico de tempo de deformação para emparelhar com a análise da estrutura de fluxo. Esses resultados podem então ser usados para validar modelos computacionais, informar o design e o controle da barbatana e facilitar áreas de pesquisa ativas em carregamento hidrodinâmico instável em materiais flexíveis, que precisam de validação¹⁹. Estudos têm usado rastreamento direto de forma baseado em imagem em aletas de tubarão e outros objetos complexos ^20,21,22, mas a complexa forma de barbatana 3D frequentemente bloqueia o acesso óptico, dificultando a medida. Assim, há uma necessidade premente de um método simples e eficaz para visualizar o movimento flexível da barbatana.

Um material amplamente utilizado em mecanismos de barbatana compatíveis é o polidimetilsiloxano (PDMS) devido ao seu baixo custo, facilidade de uso, capacidade de variar rigidez e compatibilidade com aplicações subaquáticas²³, como descrito extensivamente em uma revisão por Majidi et ^al.24. Além desses benefícios, o PDMS também é opticamente transparente, o que é propício para medições usando uma técnica de diagnóstico óptico, como fluorescência induzida por laser planar (PLIF). Tradicionalmente dentro da mecânica experimental de fluidos²⁵, o PLIF tem sido usado para visualizar fluxos de fluidos semeando o fluido com partículas corantes ou suspensas ou aproveitando as transições quânticas de espécies já no fluxo que fluoresce quando exposto a uma folha de laser 26,27,28,29. Esta técnica bem estabelecida tem sido utilizada para estudar a dinâmica fundamental dos fluidos, a combustão e a dinâmica oceânica 26,30,31,32,33.

No presente estudo, o PLIF é usado para obter medidas espificadamente resolvidas de deformação de forma em aletas robóticas inspiradas em peixes flexíveis. Em vez de semear o fluido com corante, a cinemática subaquática de uma barbatana PDMS é visualizada em várias seções transversais de acordes. Embora a imagem a laser planar possa ser realizada em PDMS fundido regularmente sem fluorescência adicional, modificar PDMS para melhorar a fluorescência pode melhorar a relação sinal-ruído (SNR) das imagens, reduzindo os efeitos de elementos de fundo, como o hardware de montagem da barbatana. PDMS pode ser feito fluorescente empregando dois métodos, seja por semeadura de partículas fluorescentes ou pigmentação. Foi relatado que, por uma determinada razão de peça, o primeiro altera a rigidez do elenco resultante PDMS³⁴. Portanto, um pigmento nãotóxico e comercialmente disponível foi misturado com PDMS transparente para lançar aletas fluorescentes para os experimentos PLIF.

Para fornecer um exemplo de utilização dessas medidas de cinética de barbatanas para validação de modelos computacionais, a cinemática experimental é então comparada com valores dos modelos de interação fluido-estrutura acoplado (FSI) da barbatana. Os modelos FSI utilizados nos cálculos são baseados nos primeiros sete eigenmodes computados usando as propriedades de material medido para as barbatanas. Comparações bem-sucedidas validam modelos de barbatanas e fornecem confiança no uso dos resultados computacionais para design e controle de barbatanas. Além disso, os resultados do PLIF demonstram que esse método pode ser usado para validar outros modelos numéricos em estudos futuros. Informações adicionais sobre esses modelos FSI podem ser encontradas em trabalhos anteriores^35,36 e em textos fundamentais de métodos de dinâmica computacional de fluidos^37,38. Estudos futuros também podem permitir medições simultâneas de deformações sólidas e fluxos de fluidos para estudos experimentais aprimorados do FSI em aletas robóticas, robôs macios bioinspirados e outras aplicações. Além disso, como pdms e outros elastômeros compatíveis são amplamente utilizados em vários campos, incluindo sensores e dispositivos médicos, visualizar deformações em sólidos flexíveis usando essa técnica pode beneficiar uma comunidade maior de pesquisadores em engenharia, física, biologia e medicina.

Protocolo

1. Fabricação de barbatanas

1. Construa um molde de barbatana baseado no design de forma desejado.
   1. Projete e construa um molde personalizado com acabamento em brilho 3D de forma de barbatana (Figura 1). Consulte os arquivos STL para fabricar o molde em Arquivos de Codificação Suplementar 1-4.
   2. Insira elementos estruturais no molde, como um spar de borda de ponta de plástico rígido impresso em 3D. Consulte o arquivo STL do spar in Supplementary Coding File 2.
2. Misture PDMS (ver Tabela de Materiais) na razão de peça desejada.
   1. Selecione a razão de peças do elastômero base para o agente de cura (ou seja, 10:1 ou 20:1) para obter um módulo elástico maior ou inferior, respectivamente. Pesar as quantidades correspondentes de base e endurecedor.
      NOTA: Ambos foram utilizados no presente estudo 10:1 e 20:1 (elastômero ao agente de cura).
   2. Meça o pigmento fluorescente (ver Tabela de Materiais) de tal forma que a mistura total contenha pigmento de 0,1%-1% em peso, dependendo do brilho desejado da pigmentação. Adicione o pigmento à mistura PDMS.
   3. Despeje as quantidades medidas de elastômero, endurecedor e pigmento em uma batedeira centrífuga planetária (misturando a 423 x g para 30 s e desamanizando a 465 x g por 30 s) e misture em conformidade.
3. Lance a barbatana no molde.
   1. Degas e despeje a mistura PDMS no molde para a barbatana. Coloque o molde no forno a 70 °C por 45 min e deixe curar durante a noite a 37 °C.
   2. Uma vez que a cura esteja completa, remova a barbatana fundido do molde (Figura 2).
4. Realize testes de tração seguindo o padrão ASTM³⁹.
   1. Para cada barbatana lançada na etapa 1.3., lance uma amostra tipo IV usando a mesma mistura de PDMS e pigmento em um molde em forma de Tipo IV usando as etapas descritas anteriormente 1.1.-1.3.
      NOTA: Consulte os arquivos STL para lançar a amostra tipo IV no Arquivo de Codificação Suplementar 5 (molde mostrado na Figura 1C) e consulte a Figura 3 , por exemplo, das amostras do Tipo IV testadas.
   2. Fixar a amostra de teste na máquina de teste de tração (ver Tabela de Materiais). Meça o comprimento inicial, largura e espessura (mm) da seção de amostra estreita.
   3. Submeter a amostra de teste à tensão em incrementos de 5 mm, garantindo que a amostra permaneça esticada apenas na região elástica, não sobrecarregada. Diminua a tensão em incrementos de 5 mm até que o deslocamento total da amostra seja de 0 mm (posição original). Registo os comprimentos (mm) e as forças (N) da seção estreita em cada incremento.
   4. Para calcular o módulo elástico da amostra, plote a curva de tensão e determine o melhor ajuste linear e o valor R² .

2. Configuração experimental e ensaios

1. Monte o hardware PLIF (ver Tabela de Materiais) em um reservatório de água de vidro retangular (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
   1. Monte e use um sistema de laser pulsado (ver Tabela de Materiais) para gerar uma folha de luz planar cruzando o tanque em seu plano médio em uma frequência especificada (30 Hz), como mostrado na Figura 4.
   2. Monte e use uma câmera de 4 MP acoplada a carga (CCD) equipada com uma lente (35 mm) e um filtro de fluorescência de longo curso (560 nm) (ver Tabela de Materiais).
   3. Calibrar a conversão de micrômetro para pixel tirando uma única imagem da câmera CCD com uma régua colocada no plano de folha de laser (Figura 5). Selecione duas posições na câmera e divida a distância em micrômetros separando pixels. Certifique-se de que essa relação micrômetro/pixel é pequena o suficiente (submilímetro) para a aplicação.
2. Sincronize os pulsos de laser e as imagens da câmera com a barbatana batendo usando saídas de gatilho do software de barbatana e sinais de um gerador de atraso e software associado (veja Tabela de Materiais), para coordenar a câmera, cabeças laser e movimento de barbatana. Ver Figura Suplementar 1 para um exemplo das configurações de interface de software do gerador de atraso.
   1. Coloque o sistema laser.
      NOTA: Certifique-se de que todas as medidas de segurança a laser estão de acordo com as diretrizes institucionais.
      1. Ligue o sistema laser girando a chave de alimentação para a direita para executar o refrigerador que esfria as cabeças laser. A luz de falha pisca até que o sistema esteja pronto para alimentar os lasers. Não pressione o botão de alimentação que liga os lasers até que todos os modos laser estejam configurados corretamente.
      2. Defina a fonte de gatilho para EXT LAMP/EXT Q-SW (lâmpada externa/interruptor Q externo).
      3. Para ambas as cabeças laser, defina a energia laser para o nível desejado (ou seja, aproximadamente 60%-80% da potência total) e certifique-se de que o interruptor Q seja ligado pressionando cada botão Q-switch .
      4. Ligue os lasers pressionando o botão Ligar.
         NOTA: Como a Fonte de Gatilho é definida como EXT LAMP/EXT Q-SW, as cabeças laser estão prontas para disparar, mas só disparam depois que o sistema recebe um gatilho externo do software.
   2. Coloque a câmera.
      1. Conecte os cabos de alimentação à câmera e garanta conexões adequadas ao computador e ao software.
      2. Abra o software de configurações da câmera e selecione a porta adequada.
         1. Em Configurações de > de gatilho, defina "Acionar em:" para externo e "Modo:" como Rápido.
         2. Em Exposição, defina "Controle de Exposição" para Desligado.
      3. Abra o software de captura da câmera e selecione o cartão de câmera adequado.
         1. Clique no botão Grab Sequence .
         2. Clique no botão Configurações de captura, selecione imagens TIFF, selecione Série de quadros ...e selecione o caminho de arquivo desejado, número de 6 dígitos, contínuo e aceito.
         3. Clique em Iniciar captura.
            NOTA: À medida que as configurações da câmera são definidas como um gatilho externo, a câmera está pronta para coletar imagens, mas só captura essas imagens depois que o sistema recebe um gatilho externo do software.
   3. Defina o gerador de atraso.
      1. Ligue o gerador de atraso e conecte o Canal do Portão Externo ao gatilho da barbatana, os canais A-D ao laser (A: cabeça laser 1, B: Q-switch para laser 1, C: cabeça laser 2 e D: Q-switch para laser 2), e Canal E para a câmera.
      2. Abra o software do gerador de atraso.
      3. Selecione o "Modo pulso" para estouro e "Resolução do sistema" para 4 ns.
      4. Defina o "Período (s)" para 0,03333352.
      5. Defina o "Modo gatilho externo/portão" como "Limiar (V)" para 0,20 e "Borda do Gatilho" como Crescente.
      6. Nos canais > Ch A, clique na caixa de seleção habilitada . Defina o "Atraso (s)" para 0.00000004, "Largura (s)" para 0,005000000, "Amplitude (V)" para 5,00, "Modo de Canal" para Ciclo de Serviço, "Contagem de Espera" para 0, "Sincronizar Fonte" para T0, "Polaridade" para Normal, "Multiplexer" para A, "Duty Cycle On" para 1, "Duty Cycle Off" para 1 e "Gate Mode" to Disabled.
      7. Nos canais > Ch B, clique na caixa de seleção habilitada . Defina o "Atraso (s)" para 0.000138000, "Largura (s)" para 0,005000000, "Amplitude (V)" para 5,00, "Modo de Canal" para Ciclo de Serviço, "Contagem de Espera" para 0, "Fonte de Sincronização" para Ch A, "Polaridade" para Normal, "Multiplexer" para B, "Duty Cycle On" para 1, "Duty Cycle Off" para 1 e "Gate Mode" to Disabled.
      8. Nos canais > Ch C, clique na caixa de seleção habilitada . Defina o "Atraso (s)" para 0.03333304, "Largura (s)" para 0,005000000, "Amplitude (V)" para 5,00, "Modo de Canal" para Ciclo de Serviço, "Contagem de Espera" para 0, "Fonte de Sincronização" para Ch A, "Polaridade" para Normal, "Multiplexer" para C, "Duty Cycle On" para 1, "Duty Cycle Off" para 1 e "Gate Mode" to Disabled.
      9. Em Canais > Ch D, clique na caixa de seleção habilitada . Defina o "Atraso (s)" para 0.000138000, "Largura (s)" para 0,005000000, "Amplitude (V)" para 5,00, "Modo de Canal" para Ciclo de Serviço, "Contagem de Espera" para 0, "Fonte de Sincronização" para Ch C, "Polaridade" para Normal, "Multiplexer" para D, "Duty Cycle On" para 1, "Duty Cycle Off" para 1 e "Gate Mode" to Disabled.
      10. Nos canais > Ch E, clique na caixa de seleção habilitada . Defina o "Atraso (s)" para 0,000000004, "Largura (s)" para 0,0050000000, "Amplitude (V)" para 5.00, "Modo de Canal" para Normal, "Contagem de espera" a 0, "Fonte de Sincronização" para T0, "Polaridade" para Normal, "Multiplexer" para E e "Modo de Portão" para Deficientes.
3. Alinhe a barbatana para que a folha de laser passe por uma seção de acordes da barbatana em uma posição de spanwise selecionada e fixe a plataforma de barbatana com o hardware de montagem.
4. Conecte a energia ao hardware de controle de barbatana e aos motores de barbatana (ver Tabela de Materiais) para começar a bater com a cinemática selecionada e desligue todas as luzes ambientes.
5. Pressione Execute no software do gerador de atraso para iniciar os experimentos sincronizados e adquirir imagens da intersecção da folha de laser com a barbatana durante todo o ciclo de traçado. Isso precisa ser conduzido em mais de 200 ciclos de avc.
6. Pressione Pare no software do gerador de atraso e desconecte a barbatana da fonte de alimentação.
7. Mova a plataforma de barbatana para que a folha de laser cruze em uma nova posição de spanwise e realize experimentos para adquirir as imagens novamente. Repetição passos 2.3.-2.6. para o número de medidas desejadas (oito posições diferentes de spanwise, como mostrado pelas linhas tracejadas pretas na Figura 2A).
8. Substitua a barbatana por membranas de barbatanas adicionais desejadas (duas rigidezs de barbatana, PDMS 10:1 e PDMS 20:1) e repita os experimentos.

3. Análise de imagem

1. Para cada ensaio experimental realizado na Etapa 2.4., localize o arquivo onde as imagens são armazenadas e crie uma subpasta para cada posição ou fase da barbatana ao longo do ciclo de traçado. Classifique os arquivos de imagem em suas subpastas correspondentes.
2. Para cada subpasta de fase de barbatana, leia as mais de 200 imagens como matrizes de valor de pixel (imread.m). Soma as matrizes de valor de pixel para todas as imagens e divida pelo número de imagens para gerar uma imagem média. Escreva a imagem em um novo arquivo (imwrite.m). Repita esta etapa para cada posição de barbatana ao longo do ciclo de traçado (30 posições).
3. Realize um aprimoramento do histograma em cada imagem média (imadjust.m) para estender o alcance de intensidade dinâmica das imagens para o alcance completo disponível para melhorar o contraste entre a barbatana e o fundo.
4. Defina os limiares de intensidade e binarize cada imagem para obter uma imagem em preto e branco (imbinarize.m). As formas brancas resultantes devem corresponder a pedaços da seção transversal da barbatana.
5. Extraia todos os objetos brancos (peças de barbatana) da imagem binária (bwareafilt.m) e exiba a imagem (imshow.m). Crie um traço do limite de imagem binária para que cada imagem obtenha uma forma 2D selecionando todos os pixels de barbatana (branca) que tocam os pixels de fundo (preto) (bwboundaries.m).
   NOTA: Devido à cinética de barbatana imposta, a visão da seção transversal medida pelo PLIF em alguns quadros pode ser ocluída por outra parte da barbatana. Nesses casos, ou não há forma de barbatana coerente aparente das imagens, ou apenas a borda principal (LE) permanece visível (Figura 6).
6. Execute as etapas 3.1.-3.5. para cada seção transversal da barbatana.

4. Reconstrução da deflexão 3D

1. Assumindo que a posição LE (pelo menos mais próxima do eixo de traçado) nos casos flexíveis é a mesma do LE em uma barbatana rígida da mesma forma, forrar o plano corta ao longo de seu LE para o mesmo passo de tempo, e comparar com os resultados da forma de barbatana rígida correspondente.
2. Use um ajuste de menor quadrado para aproximar a forma central da seção transversal da barbatana para todos os cortes de plano e reconstrua a forma da barbatana 3D usando um casco convexo simplificado a partir desses perfis montados.
3. Compare as formas de barbatana resultantes com modelos FSI 3D (gerados a partir de suas linhas centrais) para mostrar como esse processo pode ser usado como validação de alta fidelidade.
   1. Gerar uma triangulação superficial do nylon parcialmente rígido e da barbatana PDMS parcialmente flexível.
   2. Use um software de dinâmica estrutural comercial (ver Tabela de Materiais) para obter os eigenmodes do material híbrido.
      1. Realizar estudos de dimensionamento para corresponder ao deslocamento de estado estável obtido usando diferencial de pressão uniforme nas superfícies da barbatana.
      2. Dimensione os modos para corresponder ao deslocamento obtido a partir do software.
   3. Com o fator de escala adequado, use os primeiros modos dominantes (geralmente 7 ou 8) empregados no solucionador FSI acoplado para simular o fluxo instável sobre a barbatana flexível.
      1. Trate o corpo como uma entidade incorporada em uma malha de fundo.
         NOTA: O solucionador acoplado foi validado para o problema turek-hron de fluxo sobre um cilindro circular com uma picada flexível na parte traseira³⁵ e estendido para simulações de barbatanas³⁶.
      2. Prescreva a cinemática do movimento da barbatana dos experimentos.
      3. Monitore a história do tempo da produção de força e a forma da barbatana ao longo de vários cortes de plano ao longo do ciclo de agitação, e compare com experimentos.

Resultados

Uma barbatana peitoral artificial inspirada em peixe trapezoidal foi lançada em dois materiais diferentes (PDMS 10:1 e 20:1, ambos misturados com corante fluorescente) de um molde, cada um com uma rígida spar de borda de ponta inserida no acorde do quarto principal (Figura 2 e Figura 3). O teste de tração dos dois materiais de barbatana (Figura 3) rendeu moduli elástico de 0,38 MPa e 0,82 MPa para as aletas PDMS 20:1 e PDMS 10:...

Discussão

A fluorescência induzida por laser planar é tipicamente usada para visualizar fluxos aquosos semeando o fluido com corante, que fluoresce quando exposto a uma folha de laser^25,26. No entanto, o uso do PLIF para visualizar deformações em materiais compatíveis não foi relatado anteriormente, e este estudo descreve uma abordagem para a obtenção de medições de histórico temporal de deformação de forma de alta resolução em aletas sólidas flexíveis usa...

Materiais

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