基于平面激光诱导荧光成像的拍打软鳍变形建模

非侵入式测量软机器人鳍片变形的能力非常重要，因为我们可以更好地为水下航行器的鳍片设计和控制提供信息，并验证计算模型。我们可以在流体动力学中重新利用现有的工具，称为刨床激光诱导荧光，并将其扩展为固体，然后可用于同时测量固体和流体。这种方法可以推广到软机器人系统和材料。

我们可以使用这种技术，不仅可以验证流体结构相互作用，还可以研究传感器和医疗应用的柔性材料。首先设计和构建一个定制的3D打印光泽成品金属翅片形状的模具。通过在矩形玻璃水箱上安装脉冲激光系统来准备实验设置，以产生一个刨光片，该刨光片在30赫兹的中平面处与水箱相交。

安装一个四百万像素的电荷耦合器件或CCD相机，带有35毫米镜头和516纳米的长通荧光滤光片。安装后，使用放置在激光片平面中的标尺从CCD相机拍摄单个图像，执行微米到像素转换的校准。然后在相机上选择两个位置，并通过分隔像素将距离以微米为单位进行划分。

确保微米与像素比足够小或在亚毫米范围内。使用鳍片软件的触发输出以及来自延迟发生器和相关软件的信号，将激光脉冲和相机图像与拍打鳍片同步。确保所有激光器安全符合机构准则。

要设置激光系统，请使用运行冷水机组的电源键打开激光系统，以冷却激光头。故障指示灯闪烁，直到系统准备好为激光器供电。将触发源设置为外部灯、外部Q开关。

对于两个激光头，将激光能量设置为全功率的60%至80%，然后按每个Q开关按钮。然后按下电源按钮打开激光器。接下来，在打开相机设置软件并选择正确的端口之前，将电源线插入相机并确保与计算机的正确连接。

打开延迟发生器后，将外部栅极通道连接到鳍触发器，将通道E连接到相机，将通道A连接到D连接到激光器。然后，打开延迟发生器软件，选择脉冲模式以突发，系统分辨率选择四纳秒。以秒为单位设置时间段。

将外部触发/栅极模式调整为触发，阈值调节至 0.20 V，并在上升时调整触发沿。此外，按照脚本中的说明设置通道。对齐翅片，使激光片在跨度明智位置穿过翅片的一个线状部分，然后使用安装硬件固定翅片平台。

将电源连接到翅片控制硬件和翅片电机，以使用选定的运动学开始翅片拍打，并关闭所有环境灯。在延迟发生器软件中，按运行开始同步实验，并在整个行程周期中获取激光片与翅片相交的图像。在打开激光片和关闭环境灯的情况下观察油箱中的翅片拍打。

完成后，在断开翅片与电源的连接之前按停止键。移动翅片平台，使激光片在新的跨度明智位置交叉。用额外的所需翅片膜替换翅片，并如前所述进行实验，以获取所需测量次数的图像。

通过从BW区域中提取代表鳍片横截面的所有白色物体，过滤点M二进制图像并使用M显示点M显示图像来分析图像，然后为每个图像创建二进制图像边界的轨迹，通过选择所有接触黑色背景像素的鳍像素来获得2D形状。将生成的翅片形状与从中心线生成的 3D 流固耦合或 FSI 模型进行比较，以展示如何将该过程用作高保真度验证。编程的鳍运动学产生43度的行程幅度和17度的螺距幅度。

该图像说明了笔触中两个位置的比较。一个在上冲程的中间，一个在下冲的中间。此外，还比较了PDMS 10对1的形状变形和PDMS 20对1鳍片的形状变形。

从平面激光诱导荧光、FSI和中上冲程的刚性外壳中重建了3D翅片形状，证明了本技术为FSI仿真提供高保真验证的能力。在实验中，由于不透明的刚性翼梁，翅片横截面在每一步都不可见。该图像显示了鳍片不可见的结果。

要记住的最重要的事情是在运行完整实验之前测试组件的同步。设置计时后，先执行测试运行。