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

Gli autori ringraziano la National Key Technology Research e programma di sviluppo del Ministero della scienza e tecnologia della Cina (n. 2011BAK15B06) per il loro sostegno. Grazie Shuya Zhuang che è uno studente master dal nostro laboratorio per aiutarci a completare le riprese video.

1. osservazione della struttura superficiale sulla gamba Water Strider
<ol><li>Raccogliere acqua striders da locali stagni d'acqua dolce utilizzando guadino di pesca.</li>
	<li>Tagliare almeno 5 paia di gambe centrali come campioni sperimentali utilizzando le forbici. Toccare la parte inferiore delle gambe con attenzione, per evitare la contaminazione della superficie e l'interruzione della microstruttura nella parte anteriore le gambe.</li>
	<li>Asciugare le gambe all'aria.</li>
	<li>Osservare la microstruttura superf...

<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 questo protocollo, un sistema di misura di forza dinamica basato sul sensore di pellicola PVDF con successo era ideato, assemblato, tarato per misurare la forza di adesione dalla superficie dell'acqua. Tra i passaggi interi, era cruciale che la forza di adesione è stata misurata a diverse velocità sollevando la gamba dalla superficie dell'acqua come questo studio incentrato sulla caratteristica notevole della manovra veloce sull'acqua. I risultati di partenza esperimento ha mostrato che la forza di adesione è dimin...

In natura, acqua striders possiedono notevoli capacità di saltare o scivolare facilmente e velocemente sulla superficie dell'acqua con l'aiuto del gambe snelle e nonwetting1,2,3,4,5, ma raramente si muovono lentamente, che è diverso dagli insetti terrestri. La struttura gerarchica di strider acqua stabilizza lo stato superidrofobiche, che rende la drastica riduzione nella forza di adesione e area di contatto tra acqua e la gamba6,7,8, 9. Tuttavia, i vantaggi idrodinamici del ritiro rapido dell'acqua striders dalla superficie dell'acqua rimangono mal interpretato10,11,12.
Il processo di salto dalla superficie dell'acqua è principalmente diviso in tre fasi13,14,15,16. In un primo momento, acqua striders spingere la superficie dell'acqua verso il basso con le gambe centrali e posteriori per convertire l'energia biologica in energia della superficie dell'acqua fino ad affondare per la profondità massima, che consentono l'insetto inizializzare la direzione salta e determinare la velocità di scollegamento. Seguita dalla fase ascendente, l'insetto è spinto verso l'alto tramite la forza capillare della superficie dell'acqua curvo fino a raggiungere la velocità massima. Nella fase finale di disimpegno, il strider acqua continua a salire per inerzia fino alla rottura con la superficie dell'acqua, ma la velocità è ridotta in gran parte a causa della forza di adesione con l'acqua, che ha la principale influenza sul consumo di energia del acqua strider. Quindi, questo protocollo si propone di misurare la forza di adesione a diverse velocità di decollo in fase di disimpegno e spiegare la caratteristica distinta di rapido movimento.
Ci sono stati molti studi per esplorare la forza di adesione di acqua striders quando propulsione dalla superficie dell'acqua. Lee & Kim teoricamente e sperimentalmente confermato che la forza di adesione e l'energia necessari sollevamento gambe di strider di acqua è diminuito drasticamente quando l'angolo di contatto aumentata a 160 gradi17. Pan Jen Wei progettato un esperimento idrostatico per misurare la forza di adesione dal sistema TriboScope, che è stato trovato per essere 1/5 del suo peso 18. Kehchih Hwang analizzato il processo quasi statico delle gambe lo scollegamento dall'acqua con un modello 2D e trovato che il superhydrophobicity delle gambe ha giocato un ruolo significativo nel ridurre l'adesione forza ed energia dissipazione19. Tuttavia, la misurazione della forza di adesione negli studi precedenti era solo a condizione di un processo quasi statico, che è stato in grado di monitorare i cambiamenti di forza di adesione durante il salto veloce.
In questo studio, abbiamo progettato un sistema di misura di forza dinamica mediante sensore di polivinilidene fluoruro (PVDF) film e l'altro strumento di adiuvante. Rispetto ad altri materiali piezoelettrici, PVDF è più adatto per misurare la dinamica microforce con maggiore sensibilità20,21,22. Integrando il sensore di pellicola PVDF nel sistema, la forza di adesione in tempo reale potrebbe essere rilevata ed elaborata quando la gamba era tirando da acqua superficiale23,24,25.

<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

Questo studio ha mirato a fare una spiegazione per il fenomeno in natura che strider acqua solitamente salta o scivola sulla superficie dell'acqua, facilmente, ma rapidamente, con la sua locomozione picco velocità raggiungendo 150 cm/s. Prima di tutto, abbiamo osservato la microstruttura e la gerarchia delle gambe strider acqua usando il microscopio elettronico a scansione. In base alla morfologia osservata delle gambe, è stato stabilito un modello teorico del distacco dalla superficie dell'acqua, che ha spiegato la capacità degli acqua striders a scivolare sulla superficie dell'acqua senza sforzo in termini di riduzione di energia. In secondo luogo, un sistema di misura di forza dinamica è stato ideato utilizzando il sensore di pellicola PVDF con eccellente sensibilità, che potevano rilevare il processo intero di interazione. Successivamente, una sola gamba a contatto con acqua è stata tirata verso l'alto a velocità diverse, e la forza di adesione è stata misurata allo stesso tempo. I risultati dell'esperimento in partenza ha suggerito una profonda comprensione del salto veloce di acqua striders.

Il rapporto tra forza di adesione e velocità di sollevamento è mostrato nella tabella 1. Quando la velocità di sollevamento aumenta da 0,01 m/s a 0,3 m/s, l'adesione della forza tra l'acqua superficie e gamba diminuisce drammaticamente da 0,10 a 0,03. I risultati dell'esperimento in partenza ha mostrato che la forza di adesione di picco diminuirebbe drasticamente come l'aumento di Velocità sollevamento, che ha indicato che l'acqua striders può stare tranquillo se si ...

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

Misurazione della forza dinamica ha agito sulla gamba di Strider acqua saltando verso l'alto dal sensore Film PVDF

Il protocollo qui è dedicato all'investigazione il gratuito e veloce manovra di strider acqua sulla superficie dell'acqua. Il protocollo comprende osservando la microstruttura delle gambe e misurando la forza di adesione quando in partenza dalla superficie dell'acqua a velocità diverse.

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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