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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |