Name: measurement of dynamic force acted on water strider leg jumping upward by the pvdf film sensor
Uploaded: 2018-08-03T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor at JoVE.com

Les auteurs remercient le National Key Technology Research et le programme de développement du ministère des sciences et technologie de la Chine (n° 2011BAK15B06) pour leur soutien. Remercier Shuya Zhuang qui est un étudiant maître dans notre laboratoire pour nous aider à compléter le tournage vidéo.

1. l’observation de la Structure superficielle sur la jambe de Gerris
<ol><li>Recueillir Gerris auprès des étangs d’eau douce les à l’aide de pêche épuisette.</li>
	<li>Couper au moins 5 paires de pendrillons moyens comme échantillons expérimentaux à l’aide de ciseaux. Toucher le bas des jambes avec soin, afin d’éviter la contamination de la surface et les perturbateurs de la microstructure sur le devant de jambes.</li>
	<li>Sécher les jambes en l’air.</li>
	<li>Observer la surface microstructure ...

<ol>
	<li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysics:+Water-repellent+legs+of+water+striders.">Biophysics: Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36 (2004).</li><li>Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hydrodynamics+of+water+strider+locomotion.">The hydrodynamics of water strider locomotion.</a> Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).</li><li>Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drag+reduction+of+a+miniature+boat+with+superhydrophobic+grille+bottom.">Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.</a> AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).</li><li>Su, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano+to+micro+structural+hierarchy+is+crucial+for+stable+superhydrophobic+and+water-repellent+surfaces.">Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces.</a> Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).</li><li>Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superior+water+repellency+of+water+strider+legs+with+hierarchical+structures:+experiments+and+analysis.">Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis.</a> Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).</li><li>Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+surface+locomotion+by+spiders:+distinct+gaits+in+diverse+families.">Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families.</a> Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).</li><li>Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+topographies+of+water+surface+dimples+formed+by+superhydrophobic+water+strider+legs.">Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs.</a> Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).</li><li>Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyant+force+and+sinking+condition+of+a+hydrophobic+thin+rod+floating+on+water.">Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water.</a> Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).</li><li>Ng, T. W., Panduputra, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamical+force+and+imaging+characterization+of+superhydrophobic+surfaces.">Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces.</a> Langmuir the Acs Journal of Surfaces &amp; Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elegant+Shadow+Making+Tiny+Force+Visible+for+Water-Walking+Arthropods+and+Updated+Archimedes'+Principle.">Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle.</a> Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).</li><li>Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+superhydrophobicity+is+crucial+for+a+water-jumping+microrobot?+Experimental+and+theoretical+investigations.">Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations.</a> Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).</li><li>Shi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+Understanding+Why+a+Superhydrophobic+Coating+Is+Needed+by+Water+Striders.">Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders.</a> Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).</li><li>Yang, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+striders+adjust+leg+movement+speed+to+optimize+takeoff+velocity+for+their+morphology.">Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology.</a> Nature communications. 7, 13698 (2016).</li><li>Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimetic+mechanics+behaviors+of+the+strider+leg+vertically+pressing+water.">Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water.</a> Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).</li><li>Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+a+mosquito+leg+possesses+superior+load-bearing+capacity+on+water:+Experimentals.">Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals.</a> Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).</li><li>Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+wetting+mechanism+based+upon+triple+contact+line+pinning.">A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning.</a> Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).</li><li>Lee, D. G., Kim, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+superhydrophobicity+in+the+adhesion+of+a+floating+cylinder.">The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder.</a> Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).</li><li>Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adhesion+forces+and+contact+angles+of+water+strider+legs.">Adhesion forces and contact angles of water strider legs.</a> Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).</li><li>Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nature's+design+of+hierarchical+superhydrophobic+surfaces+of+a+water+strider+for+low+adhesion+and+low-energy+dissipation.">Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation.</a> Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).</li><li>Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+PVDF+microforce/force+rate+sensor+for+practical+applications+in+micromanipulation.">A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation.</a> Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).</li><li>Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+flexible+piezoelectric+force+sensor+based+on+PVDF+fabrics.">A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics.</a> Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).</li><li>Liu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+PVDF+film+to+stress+measurement+of+structural+member.">Application of PVDF film to stress measurement of structural member.</a> Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).</li><li>Fujii, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proposal+for+a+step+response+evaluation+method+for+force+transducers.">Proposal for a step response evaluation method for force transducers.</a> Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+environmental+noise+suppression+for+micronewton+force+sensing+based+on+electrostatic+by+injecting+air+damping.">Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping.</a> Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+multi-position+calibration+of+the+stiffness+for+atomic-force+microscope+cantilevers+based+on+vibration.">The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration.</a> Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).</li><li>Sun, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Differential+Method+for+Force+Measurement+Based+on+Electrostatic+Force.">The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force.</a> Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).</li><li>Song, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+Sensitive,+Precise,+and+Traceable+Measurement+of+Force.">Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force.</a> Instrumentation Science &amp; Technology. 44 (4), 386-400 (2016).</li><li>Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoelectric+dynamic+strain+monitoring+for+detecting+local+seismic+damage+in+steel+buildings.">Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings.</a> Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).</li><li>Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PVDF-based+microfabricated+tactile+sensor+for+minimally+invasive+surgery.">PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).</li></ol>

Dans le présent protocole, un système de mesure de force dynamique basé sur le capteur de film PVDF a été avec succès conçu, assemblé, étalonné pour mesurer la force d’adhérence de la surface de l’eau. Parmi les étapes ensemble, il était crucial que la force d’adhérence a été mesurée à des vitesses différentes en soulevant la jambe de la surface de l’eau comme cette étude axée sur la caractéristique remarquable de la manoeuvre rapide sur l’eau. Les résultats de départ l’expérience a m...

Dans la nature, patineurs possèdent une capacité remarquable pour sauter ou de glisser facilement et rapidement sur la surface de l’eau à l’aide des jambes élancées et qu'1,2,3,4,5, mais rarement se déplacer lentement, c'est-à-dire à la différence des insectes terrestres. La structure hiérarchique des Gerris stabilise l’État SUPERHYDROPHOBE, qui rend la réduction dramatique en force adhésion et zone de contact entre l’eau et la jambe6,7,8, 9. Toutefois, les avantages hydrodynamiques du désengagement rapide des patineurs de la surface de l’eau restent mal interprété10,11,12.
Le processus de saut de la surface de l’eau est principalement divisé en trois étapes13,14,15,16. Dans un premier temps, les patineurs pousser la surface de l’eau vers le bas avec les pieds milieu et arrière pour convertir l’énergie de surface de l’eau jusqu’au naufrage jusqu'à la profondeur maximale, l’énergie biologique qui permettent à l’insecte d’initialiser la direction de saut d’obstacles et de déterminer la vitesse de radiofréquence. Suivie de la phase ascendante, l’insecte est poussé vers le haut par la force capillaire de la surface courbée de l’eau jusqu'à atteindre la vitesse maximale. Dans la scène finale de désengagement, le Gerris continue à monter vers le haut par inertie jusqu'à rupture de la surface de l’eau, mais la vitesse est réduite en grande partie due à la force d’adhérence avec l’eau, qui a une influence principale sur la consommation d’énergie de la Gerris. Par conséquent, ce protocole est proposé pour mesurer la force d’adhérence à différentes vitesses de décollage dans la phase de désengagement et expliquer la caractéristique de se déplaçant rapidement.
Il y a eu de nombreuses études pour explorer la force d’adhérence des patineurs en propulsant de la surface de l’eau. Lee & Kim théoriquement et expérimentalement a confirmé que la force d’adhérence et de l’énergie nécessaire de soulever les jambes de l’eau strider considérablement diminué lorsque l’angle de contact est passé à 160 degrés17. Pan Jen Wei a conçu une expérience hydrostatique pour mesurer la force d’adhérence par le système TriboScope, qui s’est avéré pour être le 1/5 de son poids 18. Kehchih Hwang a analysé le processus quasi statique des jambes détacher à l’eau avec un modèle 2D et trouvé que le superhydrophobicity des jambes a joué un rôle important dans la réduction de l’adhérence force et énergie dissipation19. Toutefois, la mesure de la force d’adhérence dans des études antérieures était juste en état d’un processus quasi statique, qui n’a pas pu suivre les changements de force d’adhérence pendant le saut rapide.
Dans cette étude, nous avons conçu un système de mesure de force dynamique à l’aide de capteur Polyfluorure de vinylidène (PVDF) et tout autre instrument d’adjuvant. Par rapport aux autres matériaux piézoélectriques, PVDF est plus approprié pour mesurer la dynamique microforce avec plus élevés sensibilité20,21,22. En intégrant le capteur du film PVDF dans le système, la force d’adhérence en temps réel peut être détectée et traitée lorsque la jambe est tirant vers le haut de l’eau de surface23,24,25.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:559px;" width="559">
	<tbody>
		<tr height="32">
			<td height="32" style="height:32px;width:87px;">PVDF film sensor</td>
			<td style="width:111px;">TE Connectivity</td>
			<td style="width:87px;">DT1-028K/L</td>
			<td style="width:275px;">The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force .</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;width:87px;">Charge amplifier</td>
			<td style="width:111px;">Wuxi Shiao Technology co.,Ltd</td>
			<td style="width:87px;">YE5852B</td>
			<td style="width:275px;">The charge amplifier&#160;is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;width:87px;">Data acquisition device</td>
			<td style="width:111px;">National Instruments</td>
			<td style="width:87px;">USB-4431</td>
			<td style="width:275px;">The data acquisition device is used to read the voltage data.</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;width:87px;">Displacement stage</td>
			<td style="width:111px;">ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD</td>
			<td style="width:87px;">KSAV1010-ZF</td>
			<td style="width:275px;">KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load.</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;width:87px;">CCD camera</td>
			<td style="width:111px;">Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td>
			<td style="width:87px;">digital microscope A1</td>
			<td style="width:275px;">Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:87px;">Computer</td>
			<td style="width:111px;">Lenovo</td>
			<td style="width:87px;">G480</td>
			<td style="width:275px;"></td>
		</tr>
		<tr height="32">
			<td height="32" style="height:33px;width:87px;">Servomotor</td>
			<td style="width:111px;">EMAX US Inc.</td>
			<td style="width:87px;">ES08MD</td>
			<td style="width:275px;">It&#39;s not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60&#176; / 4.8v to 0.08 sec/60&#176;/6.0v.</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;width:87px;">Mechanical Pipettes</td>
			<td style="width:111px;">Dragon Laboratory Instruments Limited</td>
			<td style="width:87px;">YE5K693181</td>
			<td style="width:275px;">The pipettes cover volume range of 0.1 &#956;l to 2.5 &#956;l</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of dynamic force acted on water strider leg jumping upward by the pvdf film sensor

Cette étude vise à en faire une explication de ce phénomène dans la nature que l’eau strider généralement saute ou glisse sur la surface de l’eau facilement, mais rapidement, avec sa locomotion pointe vitesse atteignant 150 cm/s. Tout d’abord, nous avons observé la microstructure et la hiérarchie des Gerris jambes à l’aide de la microscopie électronique à balayage. Sur la base de la morphologie observée des jambes, un modèle théorique du détachement de la surface de l’eau a été créé, ce qui explique la capacité des patineurs de glisser sur la surface de l’eau sans effort en termes de réduction de l’énergie. Deuxièmement, un système de mesure de force dynamique a été conçu à l’aide du capteur de film PVDF avec une sensibilité excellente, ce qui a permis de détecter le processus de l’intégralité de l’interaction. Par la suite, une seule jambe en contact avec l’eau a été tirée vers le haut à des vitesses différentes, et la force d’adhérence a été mesurée en même temps. Les résultats de l’expérience au départ suggèrent une compréhension profonde de la sauter rapide des patineurs.

La relation entre la vitesse et l’adhérence de force de levage est indiquée dans le tableau 1. Lorsque la vitesse de levage augmente de 0,01 m/s à 0,3 m/s, l’adhérence forcer entre l’eau surface et jambe diminue considérablement de 0.10 à 0,03. Les résultats de l’expérience au départ ont montré que la force d’adhérence de pointe diminueraient considérablement comme l’augmentation de la vitesse levage, qui indiquait que les patineurs peuvent se sent...

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Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

Mesure de la Force dynamique a agi sur la jambe de Gerris sauter vers le haut par le capteur de Film PVDF

Le protocole ici vise à enquêter sur la liberté et de manœuvre rapide de patineurs sur la surface de l’eau. Le protocole inclut observant la microstructure des jambes et mesure de la force d’adhérence lors de leur départ de la surface de l’eau à des vitesses différentes.

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...

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