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

Die Autoren danken National Key Technology Research and Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie von China (Nr. 2011BAK15B06) für ihre Unterstützung. Danke, Shuya Zhuang, Meisterschüler von unserem Labor für das helfen wir dem Videodreh zu vervollständigen ist.

(1) Beobachtung der Oberflächenstruktur auf Wasser Strider Bein
<ol><li>Wasserläufer aus lokalen Süßwasser Teichen mit Fischen Kescher zu sammeln.</li>
	<li>Mindestens 5 mittleren Beinpaare als experimentellen Proben mit einer Schere abgeschnitten. Berühren Sie die Unterseite der Beine sorgfältig, um die Oberflächenkontamination und Mikrostruktur an der Vorderseite Beine zu stören zu vermeiden.</li>
	<li>Trocknen Sie die Beine an der Luft.</li>
	<li>Beobachten Sie die Oberfläche Mikrostruktur der Beine mit ein...

<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>

In diesem Protokoll war eine dynamische Kraft-Mess-System basiert auf dem PVDF Film Sensor erfolgreich entwickelt, montiert, so kalibriert, dass um die Haftkraft von der Wasseroberfläche zu messen. Unter den ganzen Schritten war es entscheidend, dass die Haftkraft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen wurde, durch das Heben des Bein von der Wasseroberfläche als diese Studie konzentrierte sich auf die bemerkenswerte Eigenschaft der schnelle Manöver auf dem Wasser. Die Ergebnisse der abfliegenden Experiment z...

In der Natur besitzen Wasserläufer bemerkenswerte Fähigkeit zu springen oder gleiten leicht und rasch auf die Wasseroberfläche mit Hilfe der Beine schlank und nonwetting1,2,3,4,5, aber selten bewegen sich langsam, das ist im Gegensatz zu den terrestrischen Insekten. Die hierarchische Struktur des Wasser Strider stabilisiert den superhydrophob Zustand, der drastische Reduktion im Bereich und Adhäsion Kontaktkraft zwischen Wasser und das Bein6,7,8, macht 9. jedoch die hydrodynamische Vorteile der schnelle Rückzug der Wasserläufer von der Wasseroberfläche bleiben schlecht interpretierte10,11,12.
Der Prozess der Sprung von der Wasseroberfläche gliedert sich hauptsächlich in drei Stufen13,14,15,16. Am Anfang drücken Wasserläufer die Wasseroberfläche nach unten mit den mittleren und hinteren Beinen die biologische Energie in die Oberflächenenergie des Wassers bis auf die maximale Tiefe sinken konvertieren, die es ermöglichen das Insekt die Sprung Richtung zu initialisieren und bestimmen die trennen Geschwindigkeit. Gefolgt von der aufsteigenden Phase, ist das Insekt nach oben durch die Kapillare Kraft der gebogenen Wasseroberfläche gedrückt bis zum Erreichen der maximalen Geschwindigkeit. In der endgültigen Rückzug Stufe das Wasser Strider durch Trägheit bis Loslösung von der Wasseroberfläche steigen weiterhin, aber die Geschwindigkeit ist weitgehend durch die Haftkraft reduziert mit dem Wasser hat wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch der Wasser Strider. Daher wird dieses Protokoll vorgeschlagen, die Haftkraft bei verschiedenen Start-Geschwindigkeiten in der Phase des Rückzugs zu messen und erklären die unterschiedliche Charakteristik des schnelllebigen.
Es wurden viele Studien, die Klebekraft der Wasserläufer zu erkunden, wenn von der Wasseroberfläche treibt. Lee & Kim bestätigt theoretisch und experimentell, dass die Klebekraft und Energie, dass das Wasser Strider Beine heben dramatisch abgenommen erforderlich, wenn der Kontaktwinkel auf 160 Grad17erhöht. Pan Jen Wei entwickelt eine hydrostatische Experiment, um die Klebekraft durch das TriboScope-System zu messen, die gefunden wurde, zu 1/5 der Gewicht 18. Kehchih Hwang analysiert die quasistatischen Prozess der Beine aus dem Wasser mit einem 2D-Modell abnehmen und gefunden, dass die Superhydrophobicity der Beine spielte eine bedeutende Rolle bei der Verringerung der Adhäsion Kraft und Energie Ableitung19. Die Messung der Haftkraft in früheren Studien war jedoch nur in einem Zustand der ein quasi-statischen Prozess, der nicht imstande war, die Adhäsion Kraftänderungen während das schnelle springen zu überwachen.
In dieser Studie haben wir eine dynamische Kraft-Mess-System mit Polyvinylidene Fluorid (PVDF) Film Sensor und andere adjuvante Instrument entwickelt. Im Vergleich mit anderen piezoelektrischen Materialien, ist PVDF besser geeignet für die Messung der dynamischen Microforce mit höherer Empfindlichkeit20,21,22. Von PVDF Film Sensor in das System integriert, könnte die Echtzeit-Haftkraft erkannt und verarbeitet, wenn das Bein vom Wasser Oberfläche23,24,25hochziehen war.

<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

Dieser Studie zielte darauf ab, einer Erklärung für das Phänomen in der Natur, dass Wasser Strider machen in der Regel springt oder auf dem Wasser gleitet, leicht aber sehr schnell, mit seiner Spitze Fortbewegung bis 150 cm/s zu beschleunigen. Zunächst einmal haben wir beobachtet die Mikrostruktur und die Hierarchie des Wasser Strider Beine mit dem Rasterelektronenmikroskop. Auf der Grundlage der beobachteten Morphologie der Beine entstand ein theoretisches Modell der Ablösung von der Wasseroberfläche, die erklärt Wasserläufer Fähigkeit, gleiten auf der Wasseroberfläche mühelos in Bezug auf die Senkung des Energieverbrauchs. Zweitens wurde eine dynamische Kraft-Mess-System entwickelt, mit dem PVDF Film Sensor mit exzellenten Empfindlichkeit, die der gesamten interaktionsprozess erkennen konnte. Anschließend ein einzelnes Bein mit Wasser in Berührung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten nach oben gezogen wurde, und die Haftkraft wurde zur gleichen Zeit gemessen. Die Ergebnisse des scheidenden Experiments vorgeschlagen ein tiefes Verständnis für das schnelle springen der Wasserläufer.

Das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Adhäsion Hubkraft ist in Tabelle 1dargestellt. Wenn die Hubgeschwindigkeit von 0,01 m/s bis 0,3 m/s erhöht, die Haftung zwischen der Wasser Oberfläche und Bein sinkt dramatisch von 0,10 bis 0,03 zwingen. Die ausscheidenden Experiment ergab, dass Haftung Spitzenkraft dramatisch wie die anhebende Geschwindigkeit zu erhöhen,, die zeigten verringern würde, dass die Wasserläufer wohlfühlen können, wenn sie schnell auf der Wa...

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

Messung der dynamischen Kraft gehandelt auf Wasser Strider Bein nach oben springen, indem Sie die PVDF Film Sensor

Das Protokoll hier widmet sich der Untersuchung die kostenlose und schnelle Manöver von Wasser Strider auf Wasseroberfläche. Das Protokoll enthält die Mikrostruktur der Beine Beobachtung und Messung der Haftkraft bei Abflug aus Wasserfläche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

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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