Name: measurement of dynamic force acted on water strider leg jumping upward by the pvdf film sensor
Uploaded: 2018-08-03T15:00:00
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저자는 그들의 지원에 대 한 국가 핵심 기술 연구 및 과학과 기술의 중국 (No. 2011BAK15B06)의 개발 프로그램을 감사합니다. 슈 야 주앙 어 비디오 촬영을 완료 하는 데 도움에 대 한 우리의 실험실에서 마스터 학생입니다 감사 합니다.

1. 물 스 트라이 더 다리에 표면 구조 관찰
<ol><li>낚시 방문 그물을 사용 하 여 로컬 민물 연못에서 물 소금을 수집 합니다.</li>
	<li>가 위를 사용 하 여 실험 샘플으로 적어도 5 쌍의 중간 다리를 잘라. 표면 오염 및 미세 다리 앞의 방해를 방지 하기 위해 신중 하 게, 다리의 바닥을 터치 합니다.</li>
	<li>공중에서 다리를 자연스럽 게 건조.</li>
	<li>그림 1는에서 같?...

<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>

이 프로토콜에 PVDF 필름 센서에 따라 동적 힘 측정 시스템은 성공적으로 고안, 조립, 측정 물 표면에서 접착 힘 보정. 전체 단계 가운데 그것은 중요 한 물에 빠른 공작의 현저한 특성에 초점을 맞춘이 연구로 수 면에서 다리를 들어올려 접착 힘 다른 속도에서 측정 했다. 출발 하는 실험의 결과 접착 힘 드는 속도 증가 감소 했다. 그들은 물에 고속에 이동 하는 경우 명확히 물 소금 느낄 것이 편안 ?...

자연 속에서 물 소금 점프 하거나 다리를 슬림 하 고 nonwetting1,2,3,,45의 도움으로 물 표면에 쉽고 빠르게 미끄러지듯이 놀라운 능력을 보유 하지만 드물게 지상파 곤충 달리는 천천히 이동 합니다. 물 스 트라이 더의 계층 구조 물과 다리6,,78, 사이 접촉 지역 및 접착 힘에 있는 극적인 감소를 렌더링 superhydrophobic 상태 안정화 그러나 9. 물 표면에서 물 소금의 빠른 해방의 유체역학 장점을 제대로 해석된10,,1112를 유지 하는.
물 표면에서 점프의 과정은 주로 3 단계13,14,,1516으로 분할 된다. 처음에 물 소금 곤충 초기화 점프 방향을 결정 하는 최대 깊이에 침 몰까지 생물 에너지 물의 표면 에너지로 변환 하 중간과 뒷 다리와 수 면 아래로 밀어 파견 속도입니다. 오름차순 단계 이어서, 곤충은 밀어 위쪽으로 곡선된 수 면의 모 세관 힘에 의해 최대 속도 도달까지. 최종 해방 단계에서 물 스 트라이 더 물 표면에서 속보까지 관성에 의해 상승 계속 하지만 속도 크게 접착 힘으로 감소, 물과 함께 있다는의 에너지 소비에 영향을 주는 물 스 트라이 더. 따라서,이 프로토콜은 해방 단계에서 다른 이륙 속도에 접착 힘을 측정 하 여 빠른 이동의 고유 특성을 설명 제안.
물 표면에서 추진 하는 때 물 소금의 접착 힘을 탐구 하는 많은 연구가 계속 있다. 리 & 김 이론적으로 그리고 실험적으로 접착 힘 및 에너지 접촉 각도 160도17에 증가 하는 때 극적으로 감소 물 스 트라이 더의 다리를 드는 필요한 확인. 팬 젠 웨이 18그것의 무게 1/5를 발견 되었다 TriboScope 시스템에 의해 접착 힘을 측정 하는 수압 실험 설계 되었습니다. Kehchih 황 다리 2D 모델 물에서 분리 하 고 다리의 superhydrophobicity 접착 힘 및 에너지 소산19감소에 중요 한 역할을 했다 발견의 준 정적 과정 분석. 그러나, 이전 연구에서 접착 력의 측정 빠른 점프 하는 동안 접착 힘 변화를 모니터링 하지 못했습니다 준 정적 과정의 상태에 그냥 했다.
이 연구에서 우리는 polyvinylidene 불 소 (PVDF) 필름 센서 및 다른 보조 장비를 사용 하 여 동적 힘 측정 시스템 설계. 다른 압 전 재료와 비교해, PVDF는 더 높은 감도20,,2122동적 microforce 측정 적합 합니다. 시스템에 PVDF 필름 센서를 통합 하 여 실시간 접착 힘 감지 고 다리는 물 표면23,,2425에서 당기는 때 처리 될 수 있습니다.

<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

이 연구 목적을 현상에 대 한 설명 자연에서 그 물 스 트라이 더 일반적으로 점프 또는 쉽게 하지만 빠르게 물 표면에 glides, 자사의 최대 운동 속도 도달 150 c m/s. 우선, 우리는 미세 및 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 물 스 트라이 더 다리의 계층 구조 관찰. 다리의 관찰 된 형태학에 근거 하 여 물 표면에서 초연의 이론적 모델을 힘들이 지 않고 에너지 절감 측면에서 물 표면에 슬라이드 물 소금의 기능 설명 설립 되었다. 둘째, 동적 힘 측정 시스템 전체 상호 작용 프로세스를 검출할 수 있는 우수한 감도와 PVDF 필름 센서를 사용 하 여 고안 되었다. 그 후, 물과 접촉 한 다리는 위쪽으로 다른 속도로 접착 힘을 동시에 측정 되었다. 출발 실험 결과 물 소금의 빠른 점프에 대 한 깊은 이해를 제안 했다.

운동 속도 접착 힘 사이 관계는 표 1에 표시 됩니다. 드는 속도 0.01 m/s에서 0.3 m/s 증가, 접착은 물 표면 및 다리 감소 0.10에서 극적으로 0.03 사이 강제. 출발 실험의 결과 피크 접착 힘 드는 속도 증가, 물 소금 그들은 물 표면에 신속 하 게 이동 하는 경우 편안 하 게 느낄 수 있습니다 표시로 극적으로 감소 것이 보였다.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page=...

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

물 트라이 다리 PVDF 필름 센서에 의해 위쪽으로 점프에 행동 하는 동적 힘의 측정

여기에 프로토콜 자유 조사 하 고 빠른 공작 물 표면에 물 스 트라이 더의 전용입니다. 프로토콜에는 다리의 미세 관찰 하 고 다른 속도로 수 면에서 출발 하는 경우 접착 힘 측정 포함 됩니다.

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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