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

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.

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