Meting van de dynamische kracht gehandeld op Water Strider been omhoog springen door de PVDF Film Sensor
Summary
Het protocol hier is gewijd aan onderzoek naar de gratis en snelle manoeuvreren van water strider op het wateroppervlak. Het protocol bevat de microstructuur van benen observeren en meten van de kracht van hechting bij vertrek uit de wateroppervlakte op verschillende snelheden.
Abstract
Deze studie poogde te maken een verklaring voor het fenomeen in de natuur dat water strider meestal springt of op het water glijdt gemakkelijk maar snel, met haar motoriek piek snelheid bereiken 150 cm/s. Allereerst zien we de microstructuur en de hiërarchie van water strider benen met behulp van de scannende elektronen microscoop. Op basis van de waargenomen morfologie van de benen, een theoretisch model van het detachement van wateroppervlak opgericht, die verklaard water striders vermogen te glijden op een wateroppervlak moeiteloos in termen van vermindering van de energie. Ten tweede, een dynamische kracht meetsysteem bedacht met behulp van de PVDF film sensor met uitstekende gevoeligheid, die de hele interactie proces detecteren kan. Vervolgens een één been in contact met water omhoog werd getrokken op verschillende snelheden, en de kracht van hechting werd gemeten op hetzelfde moment. De resultaten van de vertrekkende experiment voorgesteld een diep begrip van de snelle jumping van water striders.
Introduction
In de natuur bezit water striders opmerkelijke mogelijkheid om te springen of glijden gemakkelijk en snel op het water met de hulp van de slanke en nonwetting benen1,2,3,4,5, maar zelden Beweeg langzaam, dat is in tegenstelling tot de terrestrische insecten. De hiërarchische structuur van water strider stabiliseert de superhydrophobic staat, waardoor de drastische vermindering in contactkracht gebied en hechting tussen water en de been6,7,8,, 9. de hydrodynamische voordelen van de snelle terugtrekking van water striders uit wateroppervlak blijven echter slecht geïnterpreteerde10,11,12.
Het proces van het springen van het wateroppervlak is hoofdzakelijk verdeeld in drie fasen13,14,15,16. Aanvankelijk duwen water striders het wateroppervlak naar beneden met de middelste en achterste poten om de biologische energie omzetten in de oppervlakte-energie van het water tot zinken naar de maximale diepte, waardoor het insect voor het initialiseren van de springende richting en bepalen de ontkoppelen snelheid. Gevolgd door de opgaande fase, wordt het insect geduwd omhoog door de capillaire werking van de gebogen wateroppervlak tot het bereiken van de maximale snelheid. In het stadium van de definitieve terugtrekking, de strider van water blijft stijgen door traagheid tot breken uit de buurt van het wateroppervlak, maar de snelheid grotendeels beperkt is ten gevolge van de kracht van hechting met het water, die belangrijkste invloed heeft op het energieverbruik van de water strider. Dit protocol wordt dus voorgesteld te meten van de kracht van hechting op verschillende opstijgen snelheden in de fase van de terugtrekking en uitleggen van de verschillende kenmerken van snel bewegende.
Er zijn veel studies om te ontdekken de kracht van de hechting van water striders wanneer voortbewegen van het wateroppervlak. Lee & Kim bevestigd theoretisch en experimenteel dat de hechting kracht en energie vereist opheffing van de water strider de benen daalde drastisch toen de contacthoek verhoogd tot 160 graden17. Pan Jen Wei ontworpen een hydrostatische experiment voor het meten van de kracht van de wrijvingscoëfficiënt door het TriboScope-systeem, dat bleek te zijn van 1/5 van zijn gewicht 18. Kehchih Hwang geanalyseerd het quasi-statische proces van de benen loskoppelen van het water met een 2D model en vond dat de superhydrophobicity van de benen speelde een belangrijke rol bij het verminderen van de hechting kracht en energie dissipatie19. De meting van de kracht van hechting in eerdere studies was echter net op voorwaarde van een quasi-statische proces, dat niet in staat om te controleren de hechting kracht veranderingen was tijdens de snel springen.
In deze studie ontwierpen we een dynamische kracht meetsysteem met behulp van polyvinylideenfluoride (PVDF) fluoride film sensor en andere adjuvans-instrument. Vergeleken met andere piëzo-elektrische materialen, is PVDF meer geschikt voor het meten van de dynamische microforce met hogere gevoeligheid20,–21,22. Door de sensor van de film PVDF integreren in het systeem, kon de real-time hechting kracht worden gedetecteerd en verwerkt wanneer het been omhoog te uit water oppervlak23,24,25 trekken was.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol was een dynamische kracht meetsysteem op basis van de PVDF film sensor met succes bedacht, geassembleerd, gekalibreerd voor het meten van de kracht van de hechting van het wateroppervlak. Onder de hele stappen, het was cruciaal dat de kracht van hechting werd gemeten op verschillende snelheden door het heffen van het been van het wateroppervlak als dit onderzoek gericht op het opmerkelijke kenmerk van de snelle manoeuvreren op het water. De resultaten van vertrekkende experiment toonde aan dat de kracht v…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedanken de nationale sleutel technologie onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van het ministerie van wetenschap en technologie van China (nr. 2011BAK15B06) voor hun steun. Dank Shuya Zhuang die een master studente uit ons laboratorium is voor uw hulp bij het voltooien van de video-shoot.
Materials
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm – 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
Referencias
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698 (2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature’s design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
