Name: flapping soft fin deformation modeling using planar laser-induced fluorescence imaging
Uploaded: 2022-04-28T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging at JoVE.com

이 연구는 미국 해군 연구소 (NRL) 6.2 기본 프로그램을 통해 해군 연구 사무소의 지원을 받았으며 Kaushik Sampath는 NRL의 음향 부서 직원이었고 Nicole Xu는 NRL의 전산 물리학 및 유체 역학 연구소에서 NRC Research Associateship Award를 수상했습니다. 저자는 Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.)에게 기술 지원 및 지침을 인정하고 싶습니다.

1. 핀 제작
<ol><li>원하는 모양 디자인을 기반으로 핀 금형을 만듭니다.<ol>
<li>지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 마감 몰드를 설계하고 제작합니다(그림 1). 보충 코딩 파일 1-4에서 금형을 제작하기 위한 STL 파일을 참조하십시오.</li>
		<li>3D 프린팅된 경질 플라스틱 리딩 엣지 스파와 같은 구조 요소를 몰드에 삽입합니다. 보충 코딩 파일 2</str...

<ol>
	<li>Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. <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+in+fish-like+locomotion.">Drag reduction in fish-like locomotion.</a> Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).</li><li>Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PilotFish:+maximizing+agility+in+an+unmanned-underwater+vehicle.">PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle.</a> Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).</li><li>Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+projected+performance+of+a+flapping+foil+AUV.">Design and projected performance of a flapping foil AUV.</a> IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).</li><li>Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+control+of+biomimetic+robot+fish+FAC-I.">Design and control of biomimetic robot fish FAC-I.</a> Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).</li><li>Kato, N., 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=Elastic+pectoral+fin+actuators+for+biomimetic+underwater+vehicles.">Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles.</a> Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).</li><li>Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigating+the+thrust+production+of+a+myliobatoid-inspired+oscillating+wing.">Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing.</a> Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).</li><li>Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+paired+pectoral+fins+locomotion+of+labriform+fish+applied+to+a+fish+robot.">Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot.</a> Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).</li><li>Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. 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V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+robotic+fish+caudal+fin:+effects+of+stiffness+and+motor+program+on+locomotor+performance.">A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).</li><li>Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Segmentations+in+fins+enable+large+morphing+amplitudes+combined+with+high+flexural+stiffness+for+fish-inspired+robotic+materials.">Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials.</a> Science Robotics. 6 (57), (2021).</li><li>Lauder, G. V., Madden, P. G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fish+locomotion:+kinematics+and+hydrodynamics+of+flexible+foil-like+fins.">Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins.</a> Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).</li><li>Bazaz Behbahani, S., Tan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+pectoral+fin+flexibility+in+robotic+fish+performance.">Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance.</a> Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).</li><li>Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+fluid+dynamics+of+flapping+foils.">A review on fluid dynamics of flapping foils.</a> Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).</li><li>Park, H., Park, Y. -. J., Lee, B., Cho, K. -. J., Choi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vortical+structures+around+a+flexible+oscillating+panel+for+maximum+thrust+in+a+quiescent+fluid.">Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid.</a> Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).</li><li>Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexibility+in+flapping+foil+suppresses+meandering+of+induced+jet+in+absence+of+free+stream.">Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream.</a> Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).</li><li>Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamics+of+tandem+flapping+pectoral+fins+with+varying+stroke+phase+offsets.">Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets.</a> Physical Review Fluids. 5 (9), 094101 (2020).</li><li>Young, Y. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid-structure+interaction+analysis+of+flexible+composite+marine+propellers.">Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers.</a> Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).</li><li>Hughes, B., Burghardt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+visual+fin+identification+of+individual+great+white+sharks.">Automated visual fin identification of individual great white sharks.</a> International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).</li><li>Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=955-fps+real-time+shape+measurement+of+a+moving/deforming+object+using+high-speed+vision+for+numerous-point+analysis.">955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis.</a> Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).</li><li>Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-shot+3D+tracking+based+on+polarization+multiplexed+Fourier-phase+camera.">Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera.</a> Photonics Research. 9 (10), 1924 (2021).</li><li>Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+non-linear+internal+waves+using+PIV/PLIF+techniques.">Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques.</a> 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).</li><li>Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tensile+properties+of+fumed+silica+filled+polydimethylsiloxane+networks.">Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).</li><li>Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).</li><li>Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid-structure+modeling+and+the+effects+of+passively+deforming+fins+in+flapping+propulsion+systems.">Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems.</a> OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).</li><li>Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , (2020).</li><li>L&#246;hner, 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> Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , (2008).</li><li>D20 Committee. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Test Method for Tensile Properties of Plastics. , (2022).</li><li>Bai, K., Katz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+refractive+index+of+sodium+iodide+solutions+for+index+matching+in+PIV.">On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV.</a> Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).</li></ol>

평면 레이저-유도 형광은 전형적으로 유체를 염료로 시딩함으로써 수성 유동을 가시화하는데 사용되며, 이는 레이저 시트(25,26)에 노출될 때 형광을 발생시킨다. 그러나 PLIF를 사용하여 준수 재료의 변형을 시각화하는 것은 이전에 보고되지 않았으며, 이 연구는 PLIF를 사용하는 유연한 고체 핀에서 고해상도 형상 변형의 시간 이력 측정을 얻기 위한 접?...

자연에서 많은 물고기 종은 다양한 몸과 지느러미 운동을 사용하여 운동을하기 위해 진화했습니다. 물고기 이동의 원리를 확인하기위한 연구는 생물 학자와 엔지니어가 수중 차량을위한 유능한 차세대 추진 및 제어 메커니즘을 개발하기 위해 함께 노력했기 때문에 생물 영감을받은 추진 시스템의 설계를 주도하는 데 도움이되었습니다. 다양한 연구 그룹은 핀 구성, 모양, 재료, 스트로크 매개 변수 및 표면 곡률 제어 기술 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12를 연구했습니다. . 단일 및 다중 핀 시스템에서 추력 생성을 이해하기 위해 팁 와류 생성 및 웨이크 성향을 특성화하는 것의 중요성은 계산 및 실험 13,14,15,16,17,18 모두에서 수많은 연구에서 문서화되었습니다. 웨이크 경사를 줄이고 추력(17)을 증가시키기 위해 다양한 연구에서 보여지는 준수 재료로 만들어진 핀 메커니즘의 경우, 유동 구조 분석과 쌍을 이루기 위해 변형 시간-이력을 포착하고 정확하게 모델링하는 것도 필수적입니다. 그런 다음 이러한 결과를 사용하여 계산 모델을 검증하고, 핀 설계 및 제어를 알리고, 검증19가 필요한 유연한 재료에 불안정한 유체 역학 부하에서 활발한 연구 영역을 촉진 할 수 있습니다. 연구에 따르면 상어 지느러미 및 기타 복잡한 물체 20,21,22에서 직접 고속 이미지 기반 모양 추적을 사용했지만 복잡한 3D 핀 모양은 종종 광학 액세스를 차단하여 측정하기가 어렵습니다. 따라서, 유연한 핀 운동을 시각화하기 위한 간단하고 효과적인 방법에 대한 절실한 필요성이 존재한다.
고분고분한 핀 메커니즘에 널리 사용되는 물질은 Majidi et al.24에 의한 검토에서 광범위하게 기술된 바와 같이, 그의 저비용, 사용의 용이성, 강성을 변화시킬 수 있는 능력, 및 수중 응용(23)과의 호환성으로 인해 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. 이러한 이점 외에도 PDMS는 광학적으로 투명하여 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)과 같은 광학 진단 기술을 사용하는 측정에 도움이됩니다. 전통적으로 실험 유체 역학(25) 내에서, PLIF는 염료 또는 부유 입자로 유체를 시딩하거나 레이저 시트(26,27,28,29)에 노출되었을 때 형광을 띠는 흐름에 이미 있는 종으로부터의 양자 전이를 이용함으로써 유체 흐름을 시각화하는데 사용되어 왔다. 이 잘 정립 된 기술은 근본적인 유체 역학, 연소 및 해양 역학 26,30,31,32,33을 연구하는 데 사용되었습니다.
본 연구에서, PLIF는 유연한 물고기에서 영감을 얻은 로봇 지느러미에서 모양 변형의 시공간 분해 측정을 얻는 데 사용됩니다. 유체를 염료로 시딩하는 대신, PDMS 핀의 수중 운동학은 다양한 코드 방향 단면에서 시각화됩니다. 평면 레이저 이미징은 추가적인 형광 없이 일반 캐스트 PDMS에서 수행할 수 있지만, 형광을 향상시키기 위해 PDMS를 수정하면 핀 장착 하드웨어와 같은 배경 요소의 영향을 줄임으로써 이미지의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있습니다. PDMS는 형광 입자 시딩 또는 색소침착에 의해 두 가지 방법을 채용함으로써 형광을 만들 수 있다. 주어진 부분 비율에 대해, 전자는 생성된 캐스트 PDMS(34)의 강성을 변화시킨다는 것이 보고되었다. 따라서, 무독성, 상용화된 안료를 투명한 PDMS와 혼합하여 PLIF 실험을 위한 형광 핀을 캐스팅하였다.
계산 모델 검증을 위해 이러한 핀 운동학 측정을 사용하는 예를 제공하기 위해, 실험 운동학은 핀의 결합 유체-구조 상호작용(FSI) 모델의 값과 비교된다. 계산에 사용되는 FSI 모델은 핀에 대해 측정된 재료 특성을 사용하여 계산된 첫 번째 일곱 고유 모드를 기반으로 합니다. 성공적인 비교는 핀 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 대한 계산 결과 사용에 대한 확신을 제공합니다. 또한, PLIF 결과는이 방법이 향후 연구에서 다른 수치 모델을 검증하는 데 사용될 수 있음을 입증합니다. 이러한 FSI 모델에 대한 추가 정보는 선행 작업(35,36) 및 전산 유체 역학 방법(37,38)의 기본 텍스트에서 찾을 수 있다. 미래의 연구는 또한 로봇 지느러미, 바이오 영감을받은 소프트 로봇 및 기타 응용 분야에서 FSI에 대한 향상된 실험 연구를 위해 고체 변형 및 유체 흐름을 동시에 측정 할 수 있습니다. 또한 PDMS 및 기타 호환 가능한 엘라스토머는 센서 및 의료 기기를 포함한 다양한 분야에서 널리 사용되기 때문에이 기술을 사용하여 유연한 고체의 변형을 시각화하면 엔지니어링, 물리학, 생물학 및 의학 분야의 더 큰 연구자 커뮤니티에 도움이 될 수 있습니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ADMET controller</td>
			<td>ADMET</td>
			<td>MTESTQuattro</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axon II</td>
			<td>Society of Robots</td>
			<td></td>
			<td>Microcontroller for the fin hardware</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Berkeley Nucleonics Delay Generator</td>
			<td>Berkeley Nucleonics Corp</td>
			<td>Model 525</td>
			<td>BNC delay generator and software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BobCat Cam Config</td>
			<td>Imperx</td>
			<td></td>
			<td>Camera settings software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD camera</td>
			<td>Imperx</td>
			<td>B2340</td>
			<td>4 MegaPixel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COMSOL</td>
			<td>COMSOL Inc</td>
			<td></td>
			<td>Commercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D646WP Servo</td>
			<td>Hitec</td>
			<td>36646S</td>
			<td>32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D840WP Servo</td>
			<td>Hitec</td>
			<td>36840S</td>
			<td>32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric Pink fluorescent pigment</td>
			<td>Silc Pig</td>
			<td>PMS812C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system)</td>
			<td>Quantel</td>
			<td>EVG00070</td>
			<td>Laser head and power supply, 70 mJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Force transducer</td>
			<td>ADMET</td>
			<td>SM-10-961</td>
			<td>10 lbf load cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FrameLink Express</td>
			<td>Imperx</td>
			<td></td>
			<td>Camera capture software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Longpass fluorescence filter</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td></td>
			<td>560 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Software for image analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Planetary centrifugal mixer</td>
			<td>THINKY MIXER</td>
			<td>AR-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone rubber compounds</td>
			<td>Momentive</td>
			<td>RTV615</td>
			<td>Clear PDMS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stratasys J750</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>3D printer, polyjet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal testing machine</td>
			<td>ADMET</td>
			<td>eXpert 2611</td>
			<td>Table top model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VeroBlack</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>3D printer material to build the molds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VeroGray</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>3D printer material to build the molds</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

flapping soft fin deformation modeling using planar laser-induced fluorescence imaging

다양한 어종의 지느러미에서 영감을 얻은 추진 메커니즘은 무인 차량 시스템에서 향상된 기동 및 스텔스 기능에 대한 잠재력을 감안할 때 점점 더 연구되고 있습니다. 이러한 핀 메커니즘의 멤브레인에 사용되는 연질 재료는 더 단단한 구조에 비해 추력과 효율을 높이는 데 효과적임이 입증되었지만 이러한 연질 멤브레인의 변형을 정확하게 측정하고 모델링하는 것이 필수적입니다. 이 연구는 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)을 사용하여 유연한 수중 플랩 핀의 시간 의존적 인 형태 변형을 특성화하기위한 워크 플로우를 제시합니다. 다양한 강성 (0.38 MPa 및 0.82 MPa)을 가진 안료 폴리 디메틸 실록산 핀 멤브레인은 피치와 롤의 두 가지 자유도에서 작동을 위해 어셈블리에 제작되고 장착됩니다. PLIF 이미지는 다양한 스팬 평면에 걸쳐 수집되고, 핀 변형 프로파일을 얻기 위해 처리되며, 결합되어 시간이 변화하는 3D 변형된 핀 모양을 재구성합니다. 그런 다음 데이터는 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하고 이러한 복잡한 추진 시스템의 성능에 대한 이해를 향상시키는 데 사용됩니다.

사다리꼴 물고기에서 영감을 얻은 인공 가슴 지느러미를 두 가지 다른 재료 (PDMS 10 : 1 및 20 : 1, 형광 염료와 혼합)로 주형에서 주조했으며, 각각 리드 쿼터 코드에 단단한 최첨단 스파가 삽입되었습니다 (그림 2 및 그림 3). 두 핀 재료의 인장 시험(그림 3)은 PDMS 20:1 및 PDMS 10:1 핀에 대해 각각 0.38MPa 및 0.82MPa의 탄성 모듈리를 산출했?...

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Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

본 프로토콜은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료로 제작된 수중 플랩핑 핀에서 3D 형상 변형의 측정 및 특성화를 포함합니다. 이러한 변형의 정확한 재구성은 준수 플랩핑 핀의 추진 성능을 이해하는 데 필수적입니다.

평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and ...

소프트 로봇 핀의 변형을 비간섭적으로 측정하는 능력은 수중 차량에 대한 핀 설계 및 제어를보다 잘 알리고 전산 모델을 검증 할 수 있기 때문에 중요합니다. 우리는 플래너 레이저 유도 형광이라고 불리는 유체 역학 내에서 기존 도구를 재사용하고 고체를 위해 확장 할 수 있으며, 고체와 유체의 동시 측정에 사용할 수 있습니다. 이 방법은 부드러운 로봇 시스템 및 재료로 일반화 할 수 있습니다.우리는이 기술을 사용하여 유체 구조 상호 작용을 검증 할뿐만 아니라 센서 및 의료 응용 제품을위한 유연한 재료를 연구 할 수 있습니다. 지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 완성 된 금형을 설계하고 제작하는 것으로 시작하십시오. 직사각형 유리 물 탱크에 펄스 레이저 시스템을 장착하여 30 헤르츠의 미드 플레인에서 탱크를 교차시키는 플래너 라이트 시트를 생성하여 실험 설정을 준비하십시오.35mm 렌즈와 516나노미터의 장역 형광 필터가 장착된 4개의 메가픽셀 전하 결합 장치 또는 CCD 카메라를 설치합니다. 설치 후, 레이저 시트 평면에 배치된 눈금자를 사용하여 CCD 카메라에서 단일 이미지를 촬영하여 마이크로미터에서 픽셀 변환으로의 보정을 수행합니다. 그런 다음 카메라에서 두 위치를 선택하고 픽셀을 분리하여 거리를 마이크로 미터로 나눕니다.마이크로미터 대 픽셀 비율이 응용 제품을 위한 충분히 작거나 서브 밀리미터 범위인지 확인하십시오. 핀 소프트웨어의 트리거 출력과 지연 발생기 및 관련 소프트웨어의 신호를 사용하여 레이저 펄스 및 카메라 이미지를 플래핑 핀과 동기화합니다. 모든 레이저 안전이 기관 지침에 부합하는지 확인하십시오.레이저 시스템을 설정하려면 냉각기를 실행하는 전원 키를 사용하여 레이저 시스템을 켜서 레이저 헤드를 식히십시오. 시스템이 레이저에 전원을 공급할 준비가 될 때까지 오류 표시등이 깜박입니다. 트리거 소스를 외부 램프, 외부 Q 스위치로 설정합니다.두 레이저 헤드의 경우 레이저 에너지를 최대 전력의 60~80%로 설정하고 각 Q 스위치 버튼을 누릅니다. 그런 다음 전원 버튼을 눌러 레이저를 켭니다. 그런 다음 카메라 설정 소프트웨어를 열고 적절한 포트를 선택하기 전에 전원 케이블을 카메라에 연결하고 컴퓨터에 올바르게 연결되었는지 확인하십시오.지연 발생기를 켠 후 외부 게이트 채널을 핀 트리거에 연결하고, 채널 E를 카메라에 연결하고, A에서 D를 레이저에 연결합니다. 그런 다음 지연 발생기 소프트웨어를 열어 버스트 할 펄스 모드를 선택하고 시스템 해상도를 네 나노초로 선택하십시오. 기간을 초 단위로 설정합니다.외부 트리거/게이트 모드를 트리거로 조정하고, 임계값을 0.20V로, 트리거 에지를 상승으로 조정합니다. 또한 스크립트에 설명된 대로 채널을 설정합니다. 레이저 시트가 스팬 현명한 위치에서 핀의 한 코드 방향 섹션을 통과하도록 핀을 정렬 한 다음 장착 하드웨어로 핀 플랫폼을 고정하십시오.핀 제어 하드웨어 및 핀 모터에 전원을 연결하여 선택한 운동학으로 핀 플랩을 시작하고 모든 주변 조명을 끕니다. 지연 발생기 소프트웨어에서 런을 눌러 동기화된 실험을 시작하고 스트로크 사이클 전반에 걸쳐 레이저 시트와 핀의 교차점의 이미지를 획득합니다. 레이저 시트가 켜지고 주변 조명이 꺼진 상태에서 탱크에서 지느러미가 펄럭이는 것을 관찰하십시오.완료되면 전원에서 핀을 분리하기 전에 중지를 누릅니다. 핀 플랫폼을 움직여 레이저 시트가 새로운 스팬 현명한 위치에서 교차하도록하십시오. 핀을 원하는 추가 핀 멤브레인으로 교체하고 원하는 수의 측정에 대한 이미지를 얻기 위해 전에 시연된 대로 실험을 수행합니다.BW 영역에서 핀 단면을 나타내는 모든 흰색 개체를 추출하여 이미지를 분석하고, 도트 M 이진 이미지를 필트 도트 M으로 표시하고, M 쇼 도트 M으로 이미지를 표시합니다.그런 다음 각 이미지에 대한 이진 이미지 경계의 트레이스를 생성하여 검은 색 배경 픽셀에 닿는 모든 핀 픽셀을 선택하여 2D 모양을 얻습니다. 결과 핀 모양을 중심선에서 생성된 3D 유체 구조 상호 작용 또는 FSI 모델과 비교하여 공정을 고충실도 검증으로 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다. 프로그래밍 된 핀 운동학은 43 도의 스트로크 진폭과 17 도의 피치 진폭을 산출했습니다.이미지는 선의 두 위치에서의 비교를 보여줍니다. 하나는 업스트로크의 중간에 있고 다른 하나는 다운스트로크의 중간에 있습니다. 또한, PDMS 10 내지 1개, 및 PDMS 20 내지 하나의 핀의 형상 변형을 비교하였다.3D 핀 모양은 플라이너 레이저 유도 형광, FSI 및 중간 업스트로크의 딱딱한 케이스로 재구성되어 FSI 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하는 현재 기술의 기능을 보여줍니다. 실험에서, 핀 단면은 불투명한 경질 스파로 인해 모든 단계에서 보이지 않았다. 이미지는 지느러미가 보이지 않는 결과를 보여줍니다.기억해야 할 가장 중요한 것은 전체 실험을 실행하기 전에 구성 요소의 동기화를 테스트하는 것입니다. 타이밍이 설정되면 먼저 테스트 실행을 수행합니다.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Diagnosis of Neoplasia in Barrett&#8217;s Esophagus using Vital-dye Enhanced Fluorescence Imaging

생명 염색 강화 형광 이미징을 사용하여 바렛 식도에있는 신 생물의 진단

The ability to differentiate benign metaplasia in Barrett&#8217;s Esophagus (BE) from neoplasia in vivo remains difficult as both tissue types can be flat ...

연구

생체공학

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

소프트 생체 재료의 높은 변형 속도 기계 응답을 평가하기위한 결합 실험 - 유한 요소 모델링 방법론

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

High-resolution Spatiotemporal Analysis of Receptor Dynamics by Single-molecule Fluorescence Microscopy

단일 분자 형광 현미경에 의한 수용체 역학의 고해상도 시공간 분석

Single-molecule microscopy is emerging as a powerful approach to analyze the behavior of signaling molecules, in particular concerning those aspect (e.g., ...

3D Orbital Tracking in a Modified Two-photon Microscope: An Application to the Tracking of Intracellular Vesicles

수정 된 두 개의 광자 현미경에서 3D 궤도 추적 : 세포 내 소포의 추적에 응용

The objective of this video protocol is to discuss how to perform and analyze a three-dimensional fluorescent orbital particle tracking experiment using a ...

From Fast Fluorescence Imaging to Molecular Diffusion Law on Live Cell Membranes in a Commercial Microscope

상용 현미경에서 라이브 세포막에 분자 확산 법률에 빠른 형광 이미징

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the ...

Single Molecule Fluorescence Microscopy on Planar Supported Bilayers

평면에 단일 분자 형광 현미경은 이중층 지원

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

들여 쓰기 및 인장 시험을 사용하여 인간의 부드러운 조직의 생체 역학적 특성

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Stiffness Measurement of Soft Silicone Substrates for Mechanobiology Studies Using a Widefield Fluorescence Microscope

Widefield 형광 현미경을 사용 하 여 Mechanobiology 연구에 대 한 부드러운 실리콘 기판의 강성 측정

Soft tissues in the human body typically have stiffness in the kilopascal (kPa) range. Accordingly, silicone and hydrogel flexible substrates have been ...

Conducting Multiple Imaging Modes with One Fluorescence Microscope

실시 한 형광 현미경으로 여러 영상 모드

Fluorescence microscopy is a powerful tool to detect biological molecules in situ and monitor their dynamics and interactions in real-time. In addition to ...

Visualizing Adhesion Formation in Cells by Means of Advanced Spinning Disk-Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

회전 디스크-총 내부 반사 형광 현미경 검사 법 고급 시각화에 의해 세포 접착 형성

In living cells, processes such as adhesion formation involve extensive structural changes in the plasma membrane and the cell interior. In order to ...