המחברים מודים הלאומית מפתח טכנולוגיה ומחקר תוכנית הפיתוח של משרד המדע, הטכנולוגיה של סין (מספר 2011BAK15B06) על תמיכתם. תודה Shuya דז'ואנג מי הוא תלמיד מאסטר מן המעבדה שלנו שעזרת לנו להשלים את. הצילומים.

1. תצפית של מבנה השטח ברגל מים סטרייד
<ol><li>לאסוף מים striders בריכות מים מתוקים מקומיים באמצעות דיג הנחיתה נטו.</li>
	<li>חתכו את פחות 5 זוגות רגליים האמצעי דגימות הניסוי באמצעות מספריים. לגעת בקרקעית של הרגליים בזהירות, כדי למנוע את זיהום הקרקע ומפריעה של מיקרו הקדמי של הרגליים.</li>
	<li>נגב את הרגליים בחוץ באוויר באופן טבעי.</li>
	<li>להתבונן על מיקרו משטח הרגליים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה עם מיקרו ברמת רזולוציה, כפי שמוצג באיור 1.</li>
	<li>לבחון את microsetae של הרגליים באמצעות מיקרוסקופ חשמלי סריקה עם ננו ברמת רזולוציה, כפי שמוצגבאיור 1b.</li>
</ol>2. מכינים את הרכיב של מערכת המדידה כוח דינמי
<ol><li>לרכוש חיישן סרט PVDF עם ממד של 14.9 X 10.2 מ מ2 X 28 μm, המייצרת יותר מ 10 mV לכל מיקרו-זן. הערה: החיישן הסרט PVDF משמש לחוש חיל קשר דינמי עם רגישות גבוהה.</li>
	<li>לרכוש מגבר תשלום עם רווח מרבי של תשלום mV/pC 1000, רעש נמוך μV פחות מ-5. הערה: המגבר תשלום משמש כדי להגדיל את האות מהחיישן הסרט PVDF, שבו הפלט תשלום של המתמר מומר לתוך מתח.</li>
	<li>לרכוש מכשיר רכישת נתונים, שבה יש קלט אנלוגי את שיעורי דגימה בטווח של 1 S/s ל- 102.4 kS/s. הערה: הנתונים רכישת המכשיר משמש כדי לקרוא את הנתונים מתח של המגבר תשלום ולא לשלוח אותם למחשב לצורך עיבוד נוסף ולהציג.</li>
	<li>לרכוש מספר שלבים העתק מדויק גבוהה במנוע סרוו. הערה: הרגליים יוצאות מן המים במהירות שונה מונע על ידי במנוע סרוו.</li>
	<li>רכישת מצלמת CCD, אורך מוקד של מי הוא בטווח של 5 מ מ 30 מ מ, קצב הפריימים הוא 30 fps. הערה: מצלמה זו משמשת כדי להקליט ולנטר את דפורמציה של פני המים ואת המרחק בין הרגליים פני המים.</li>
	<li>להכנת מחשב בעל ביצועים גבוהים.</li>
</ol>3. הרכבה של כל חלקי מערכת מדידה כוח דינמי
<ol><li>להרכיב מערכת מדידה כוח דינמי בהתאם לאיור סכמטית שמוצג באיור 2 לבין הכלי ניסוי אמיתי שמוצג באיור 2b.</li>
	<li>לתקן בצד אחד של החיישן הסרט PVDF עם האלקטרודות לבמה העתק מדויק גבוהה, אשר ממוקם על מסגרת אופקית, כמו הצד השני הוא תלוי. שיטת התקנה זו PVDF הפילם חיישן מסייע לשפר את הרזולוציה של המדידה עבור חיל מיקרו דינמיות.</li>
	<li>להתחבר החיישן הסרט PVDF המגבר תשלום, המגבר תשלום המכשיר רכישת נתונים, המכשיר רכישת נתונים למחשב.</li>
	<li>לתקן את המצלמה לבמה העתק מדויק גבוהה, אשר ממוקם בצד השמאלי של חיישן סרט PVDF.</li>
	<li>בערך להתאים את המרחק בין הרגליים במים במהירות, לתקן במה הזחה גבוהה מדויק למסגרת מעל החיישן הסרט PVDF, אשר ההפרדה מהחיישן PVDF הסרט הוא כ- 10 ס מ.</li>
	<li>להרים את הרגל מן פני המים במהירות מדויק, לתקן את במנוע סרוו מתחת לזירה הזחה גבוהה מדויק.</li>
</ol>4. כיול של מערכת המדידה כוח דינמי
<ol><li>שימוש מערכת כוח אלקטרוסטטי26 ליצירת כוח מיקרו-קבוע פעל על קצה PVDF הסרט חיישן, בסדר גודל של מי צריך להיות פחות מ 0.5 µN. לשלוט את הכוח אלקטרוסטטית של המערכת על ידי מתח שהוחל האלקטרודות הפנימיים והחיצוניים חינם של קבלים גלילי paralleled. התראה: הכוח לפעול בכיוון נורמלי השטח הסרט PVDF, הנקודה של היישום אמור להיות הכי קרוב ככל האפשר אל קצהו של החיישן הסרט PVDF להגדיל את הרגישות.</li>
	<li>שחרור הכוח בתוך זמן קצר כדי ליצור שלב קלט.</li>
	<li>לקרוא את האות בזמן מתח של צעד 4.2 בתוך המחשב באמצעות התוכנה LabVIEW, דבר שעוזר לקרוא אותות מתח הפלט של החיישן הסרט PVDF.<ol>
<li>הורידו את התוכנה LabVIEW ההתקן של החומרה NI-DAQmx ב הרשמי באתר של לאומי הכלים.</li>
		<li>פתח את הדמו של מדידת מתח אנלוגיים רציפים באמצעות LabVIEW את, כפי שמוצג באיור 3.</li>
		<li>בחרו בערוץ פיזית של המכשיר רכישת נתונים מקושר עם המגבר תשלום במודול של הגדרות הערוץ.</li>
		<li>הגדר את קצב דגימה 100000 ומספר דגימות 100000 במודול של הגדרות התזמון.</li>
		<li>בחר את יומן ולקרוא מצב רישום, לכתוב את נתיב הקובץ כדי לאחסן את נתוני מתח במודול של הגדרות רישום.</li>
		<li>בחר את ההדק לא המודול של הגדרות הגורם המפעיל.</li>
		<li>לחץ על לחצן החץ-צורה בסרגל הכלים כדי לדגום את האות מתח.</li>
	</ol>
</li>
	<li>לנתח את העקומה מתח, שבו מתח שיא המתאים לכפות פעל על החיישן.</li>
	<li>חזור על השלבים 4.1-4.4-קלט כוח שונים, שבו זכתה סדרה של נקודות מתח-force.</li>
	<li>לקבוע את היחס על מתח שיא ועל כוח סטנדרטי בתוצאה כיול.</li>
</ol>5. מדידת אדהזיה כוח במהירות מסוימת
<ol><li>במקום טיפה מים (5 µL) על סוף החיישן הסרט PVDF באמצעות micropipette מכני ללא תשלום. הערה: המיקום של ה-droplet צריך להיות קרוב קצה החיישן הסרט PVDF.</li>
	<li>לתקוע רגל אחת במנוע סרוו מתחת לזירה הזחה גבוהה מדויק.</li>
	<li>להעביר העתק מדויק גבוהה הבמה כלפי מטה עד הרגל אנשי הקשר עם פני המים, כפי שמוצג באיור 4. הצג המרחק בין פני השטח הרגל ומים על ידי מערכת המצלמה רכוב על הצד השמאלי של החיישן.</li>
	<li>הרם את הרגל מהמשטח מים במהירות קבועה דרך במנוע סרוו.</li>
	<li>לחשב את הכוח המתאימה לכל נקודה של עקומת מתח של תהליך יציאה באמצעות מודל שהוקמה בשלב 4.6 ולאחר מכן צייר את עקומת כוח-זמן של היוצאים התהליך, כפי שמוצג באיור 4b.</li>
	<li>להקליט את הידבקות שיא של תהליך עוזבים במהירות מסוימת.</li>
</ol>6. מדידת אדהזיה כוח במהירויות שונות.
<ol><li>לשנות את מהירות הרמה של הרגליים על ידי במנוע סרוו ולמדוד את הכוח אדהזיה לפי שלב 5.</li>
	<li>להתוות את כוח הדבקה לעומת הרמה עקומת מהירות באמצעות הנתונים צבר בשלב 6.1.</li>
	<li>ניתוח היחסים בין הכוח אדהזיה ומהירות הרמה דרך העקומה.</li>
</ol>

<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>

המחבר אין לחשוף.

פרוטוקול זה, מערכת מדידה וסבילה המבוססת על החיישן הסרט PVDF היה בהצלחה המציאו, התאספו, מכויל כדי למדוד את הכוח אדהזיה מהמשטח מים. בין הצעדים כל, זה היה חיוני כי הכוח אדהזיה נמדדה במהירויות שונות על-ידי הרמת הרגל מהמשטח מים כמו מחקר זה התמקד המאפיין יוצא דופן של תמרון מהיר על פני המים. התוצאות ש...

בטבע, striders מים בעלי יכולת מדהימה לקפוץ או לגלוש בקלות, במהירות על פני המים בעזרת רגליים דקיקות, nonwetting1,2,3,4,5, אבל לעתים רחוקות זזים לאט, וזה בניגוד החרקים יבשתי. המבנה ההירארכי של מים "צעדן" מייצבת את המדינה superhydrophobic, האינטרפרטציה צמצום משמעותי בכוח אזור והצמדות הקשר בין מים את הרגל6,7,8, 9. עם זאת, היתרונות hydrodynamic של ההתנתקות מהיר של מים striders פני המים נשארים לקוי לפרש10,11,12.
התהליך של קפיצות מפני השטח המים מחולק בעיקר שלושה שלבים13,14,15,16. בהתחלה, מים striders לדחוף פני המים כלפי מטה עם הרגליים באמצע ומאחור כדי להמיר אנרגיה ביולוגית לאנרגיה המשטח של המים עד ששקעו העומק המרבי, המאפשרים את החרק לאתחל את הכיוון קופץ ולקבוע המהירות התולש. ואחריו את הבמה עולה, החרק דחף כלפי מעלה על ידי הכוח נימי של המשטח מים עקומים עד שהגיע מהירות מקסימלית. בשלב הסופי ההתנתקות, "צעדן" המים ממשיך להתרומם לשניים עד שבירת מהמשטח מים, אך המהירות תקטן במידה רבה בשל הכוח אדהזיה עם המים, אשר יש ההשפעה העיקרית על צריכת האנרגיה של "צעדן" מים. לפיכך, פרוטוקול זה מוצע למדוד את כוח אדהזיה במהירויות שונות להמריא על הבמה ההתנתקות ולהסביר על מאפייני ברורים זז מהר.
היו מחקרים רבים לחקור את כוח הדבקה של מים striders כאשר הטלה של פני המים. Lee & קים ותיאורטי השפעול אישר כי הדבקות כוח ואנרגיה נדרש הרמת הרגליים של סטרייד המים ירד באופן דרמטי כאשר הזווית קשר גדל ל 160 מעלות17. פאן ג'ן ווי תוכנן ניסוי ההידרוסטטי כדי למדוד את כוח הדבקה על ידי מערכת TriboScope, אשר נמצאה להיות 1/5 שלה במשקל 18. הואנג Kehchih ניתח את התהליך ומעין סטטי של הרגליים ניתוק מן המים עם דגם 2D ומצא ש-superhydrophobicity של הרגליים שיחק תפקיד משמעותי בהפחתת אדהזיה כוח ואנרגיה פיזור19. אולם, מידת הכוח אדהזיה במחקרים קודמים היה רק במצב של תהליך ומעין סטטיים, אשר לא היתה אפשרות לעקוב אחר השינויים בכוח אדהזיה במהלך הקפיצה מהר.
במחקר זה, תיכננו מערכת מדידה וסבילה באמצעות polyvinylidene פלואוריד (PVDF) הסרט חיישן ולכלי הנגינה אדג'וונט אחרים. לעומת חומרים אחרים פיזואלקטריים, PVDF מתאים יותר למדוד את microforce דינמי עם רגישות גבוהה יותר20,21,22. על ידי שילוב של החיישן הסרט PVDF לתוך המערכת, הכוח אדהזיה בזמן אמת יכול ועוזרת לעבד כאשר הרגל חונה מים משטח23,24,25.

<table><tbody><tr><td>PVDF film sensor</td><td>TE Connectivity</td><td>DT1-028K/L</td><td>The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force .</td></tr><tr><td>Charge amplifier</td><td>Wuxi Shiao Technology co.,Ltd</td><td>YE5852B</td><td>The charge amplifier&amp;nbsp;is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input</td></tr><tr><td>Data acquisition device</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>The data acquisition device is used to read the voltage data.</td></tr><tr><td>Displacement stage</td><td>ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD</td><td>KSAV1010-ZF</td><td>KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load.</td></tr><tr><td>CCD camera</td><td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>digital microscope A1</td><td>Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm</td></tr><tr><td>Computer</td><td>Lenovo</td><td>G480</td><td></td></tr><tr><td>Servomotor</td><td>EMAX US Inc.</td><td>ES08MD</td><td>It&#039;s not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60&amp;deg; / 4.8v to 0.08 sec/60&amp;deg;/6.0v.</td></tr><tr><td>Mechanical Pipettes</td><td>Dragon Laboratory Instruments Limited</td><td>YE5K693181</td><td>The pipettes cover volume range of 0.1 &amp;mu;l to 2.5 &amp;mu;l</td></tr></tbody></table>

measurement of dynamic force acted on water strider leg jumping upward by the pvdf film sensor

מחקר זה שמטרתה להביא הסבר התופעה בטבע "צעדן" את המים בדרך כלל קופץ או מחליק על פני המים בקלות אבל במהירות, עם שלה ומכניקה שיא מהירות להשיג 150 ס"מ/s. קודם כל, הבחנו מיקרו של ההיררכיה של מים "צעדן" הרגליים באמצעות המיקרוסקופ האלקטרוני סריקה. על סמך התצפיות המורפולוגיה של הרגליים, מודל תאורטי של הניתוק של פני המים הוקמה, אשר הסביר יכולת של מים striders להחליק על פני המים ללא מאמץ מבחינת הפחתת האנרגיה. שנית, מערכת מדידה וסבילה הומצאה שימוש בחיישן הסרט PVDF עם רגישות מעולה, אשר יכול לזהות את התהליך כל אינטראקציה. לאחר מכן, רגל אחת במגע עם מים נמשכה כלפי מעלה במהירויות שונות, הכוח אדהזיה נמדדה בו זמנית. התוצאות של הניסוי שיוצאת הציע הבנה עמוקה של הקפיצה מהיר של מים striders.

היחס בין הרמת כוח ומהירות אדהזיה מוצג בטבלה 1. כאשר מהירות הרמה עולה מ- 0.01 m/s ל 0.3 m/s, כוח הדבקה בין המים משטח וברגל יתקצר באופן משמעותי מ- 0.10 0.03. התוצאות של הניסוי שיוצאת הראו כי הכוח אדהזיה השיא היתה ירידה דרמטית כמו העלייה מהירות הרמה, אשר ציין כי striders מים עשויים לה?...

Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor at JoVE.com

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

מדידה של כוח דינמי פעל על רגל מים "צעדן" קופץ מעלה על ידי חיישן סרט PVDF

פרוטוקול כאן מוקדש חוקרים בחינם, תמרון מהיר של מים "צעדן" על פני המים. הפרוטוקול כוללת התבוננות על מיקרו של הרגליים, מדידת אדהזיה הכוח כאשר היוצאת פני המים במהירויות שונות.

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, ...

measurement-dynamic-force-acted-on-water-strider-leg-jumping-upward

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

5.9K Views.  Tianjin University. פרוטוקול כאן מוקדש חוקרים בחינם, תמרון מהיר של מים "צעדן" על פני המים. הפרוטוקול כוללת התבוננות על מיקרו של הרגליים, מדידת אדהזיה הכוח כאשר היוצאת פני המים במהירויות שונות.

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

Kinematics and Ground Reaction Force Determination: A Demonstration Quantifying Locomotor Abilities of Young Adult, Middle-aged, and Geriatric Rats

Behavior, in its broadest definition, can be defined as the motor manifestation of physiologic processes. As such, all behaviors manifest through the motor system. In the fields of neuroscience and orthopedics, locomotion is a commonly evaluated behavior for a variety of disease models. For example, locomotor recovery after traumatic injury to the nervous system is one of the most commonly evaluated behaviors 1-3. Though locomotion can be evaluated using a variety of endpoint measurements (e.g. time taken to complete a locomotor task, etc), semiquantitative kinematic measures (e.g. ordinal rating scales (e.g. Basso Beattie and Bresnahan locomotor (BBB) rating scale, etc)) and surrogate measures of behaviour (e.g. muscle force, nerve conduction velocity, etc), only kinetics (force measurements) and kinematics (measurements of body segments in space) provide a detailed description of the strategy by which an animal is able to locomote 1. Though not new, kinematic and kinetic measurements of locomoting rodents is now more readily accessible due to the availability of commercially available equipment designed for this purpose. Importantly, however, experimenters need to be very familiar with theory of biomechanical analyses and understand the benefits and limitations of these forms of analyses prior to embarking on what will become a relatively labor-intensive study. The present paper aims to describe a method for collecting kinematic and ground reaction force data using commercially available equipment. Details of equipment and apparatus set-up, pre-training of animals, inclusion and exclusion criteria of acceptable runs, and methods for collecting the data are described. We illustrate the utility of this behavioral analysis technique by describing the kinematics and kinetics of strain-matched young adult, middle-aged, and geriatric rats.

Locomotion is often examined as a behavioural outcome in various models of disease in fields such as neuroscience and orthopedics. This video paper intends to describe a method for collecting ground reaction forces and kinematics from rats during unrestrained locomotion.

קינמטיקה ואת תגובת קרקע חיל קביעת: הפגנה כימות של תנועה היכולות של מבוגרים צעירים, בגיל העמידה, ועל החולדות הגריאטרי

Behavior, in its broadest definition, can be defined as the motor manifestation of physiologic processes.  As such, all behaviors manifest through the ...

Neuroscience

Studying the Neural Basis of Adaptive Locomotor Behavior in Insects

Studying the neural basis of walking behavior, one often faces the problem that it is hard to separate the neuronally produced stepping output from those leg movements that result from passive forces and interactions with other legs through the common contact with the substrate. If we want to understand, which part of a given movement is produced by nervous system motor output, kinematic analysis of stepping movements, therefore, needs to be complemented with electrophysiological recordings of motor activity. The recording of neuronal or muscular activity in a behaving animal is often limited by the electrophysiological equipment which can constrain the animal in its ability to move with as many degrees of freedom as possible. This can either be avoided by using implantable electrodes and then having the animal move on a long tether (i.e. Clarac et al., 1987; Duch &amp; Pfl&uuml;ger, 1995; B&ouml;hm et al., 1997; Gruhn &amp; Rathmayer, 2002) or by transmitting the data using telemetric devices (Kutsch et al, 1993; Fischer et al., 1996; Tsuchida et al. 2004; Hama et al., 2007; Wang et al., 2008). Both of these elegant methods, which are successfully used in larger arthropods, often prove difficult to apply in smaller walking insects which either easily get entangled in the long tether or are hindered by the weight of the telemetric device and its batteries. In addition, in all these cases, it is still impossible to distinguish between the purely neuronal basis of locomotion and the effects exerted by mechanical coupling between the walking legs through the substrate. One solution for this problem is to conduct the experiments in a tethered animal that is free to walk in place and that is locally suspended, for example over a slippery surface, which effectively removes most ground contact mechanics. This has been used to study escape responses (Camhi and Nolen, 1981; Camhi and Levy, 1988), turning (Tryba and Ritzman, 2000a,b; Gruhn et al., 2009a), backward walking (Graham and Epstein, 1985) or changes in velocity (Gruhn et al., 2009b) and it allows the experimenter easily to combine intra- and extracellular physiology with kinematic analyses (Gruhn et al., 2006).
We use a slippery surface setup to investigate the timing of leg muscles in the behaving stick insect with respect to touch-down and lift-off under different behavioral paradigms such as straight forward and curved walking in intact and reduced preparations.

We describe a method to record motor activity, timed to the electrically recorded tarsal contact signal in a tethered insect, walking on a slippery surface. This is used to study the neural basis of adaptive behavior under reduced influence of mechanical interaction between legs through the substrate.

ללמוד את הבסיס העצבי של התנהגות מסתגלת של תנועה בתוך חרקים

Studying the neural basis of walking behavior, one often faces the problem that it is hard to separate the neuronally produced stepping output from those ...

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a relatively low cost. This manuscript describes an application of particle tracking velocimetry (PTV) to a bed-load experiment with lightweight sediment. The key characteristics of the investigated sediment transport conditions were the presence of a covered flow and of a fixed rough bed above which particles were released in limited number at the flume inlet. Under the applied flow conditions, the motion of the individual bed-load particles was intermittent, with alternating movement and stillness terms. The flow pattern was preliminarily characterized by acoustic measurements of vertical profiles of the stream-wise velocity. During process visualization, a large field of view was obtained using two action-cameras placed at different locations along the flume. The experimental protocol is described in terms of channel calibration, experiment realization, image pre-processing, automatic particle tracking, and post-processing of particle track data from the two cameras. The presented proof-of-concept results include probability distributions of the particle hop length and duration. The achievements of this work are compared to those of existing literature to demonstrate the validity of the protocol.

The manuscript presents a protocol for the conduction of bed-load sediment transport experiments where the moving particles are tracked by image analysis. The experimental facility, the procedures for run realization and data processing, and finally some proof-of-concept results are presented here.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

Environment

Quantitative Locomotion Study of Freely Swimming Micro-organisms Using Laser Diffraction

Soil and aquatic microscopic organisms live and behave in a complex three-dimensional environment. Most studies of microscopic organism behavior, in contrast, have been conducted using microscope-based approaches, which limit the movement and behavior to a narrow, nearly two-dimensional focal field.1 We present a novel analytical approach that provides real-time analysis of freely swimming C. elegans in a cuvette without dependence on microscope-based equipment. This approach consists of tracking the temporal periodicity of diffraction patterns generated by directing laser light through the cuvette. We measure oscillation frequencies for freely swimming nematodes.
Analysis of the far-field diffraction patterns reveals clues about the waveforms of the nematodes. Diffraction is the process of light bending around an object. In this case light is diffracted by the organisms. The light waves interfere and can form a diffraction pattern. A far-field, or Fraunhofer, diffraction pattern is formed if the screen-to-object distance is much larger than the diffracting object. In this case, the diffraction pattern can be calculated (modeled) using a Fourier transform.2
C. elegans are free-living soil-dwelling nematodes that navigate in three dimensions. They move both on a solid matrix like soil or agar in a sinusoidal locomotory pattern called crawling and in liquid in a different pattern called swimming.3 The roles played by sensory information provided by mechanosensory, chemosensory, and thermosensory cells that govern plastic changes in locomotory patterns and switches in patterns are only beginning to be elucidated.4 We describe an optical approach to measuring nematode locomotion in three dimensions that does not require a microscope and will enable us to begin to explore the complexities of nematode locomotion under different conditions.

Microscopic organisms like the free-swimming nematode C. elegans, live and behave in a complex three-dimensional environment. We report on a novel approach that provides analysis of C. elegans using diffraction patterns. This approach consists of tracking the temporal periodicity of diffraction patterns generated by directing laser light through a cuvette.

מחקר נידות כמותית של חי מייקרו אורגניזמים בחופשיות באמצעות ליזר עקיף

Soil and aquatic microscopic organisms live and behave in a complex three-dimensional environment. Most studies of microscopic organism behavior, in ...

Bioengineering

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With designs governed by the dynamic performance under human-induced loads, a strong demand exists for the verification and refinement of currently available load models. The present contribution uses a 3D inertial motion tracking technique for the characterization of the in-field pedestrian behavior. The technique is first tested in laboratory experiments with simultaneous registration of the corresponding ground reaction forces. The experiments include walking persons as well as rhythmical human activities such as jumping and bobbing. It is shown that the registered motion allows for the identification of the time variant pacing rate of the activity. Together with the weight of the person and the application of generalized force models available in literature, the identified time-variant pacing rate allows to characterize the human-induced loads. In addition, time synchronization among the wireless motion trackers allows identifying the synchronization rate among the participants. Subsequently, the technique is used on a real footbridge where both the motion of the persons and the induced structural vibrations are registered. It is shown how the characterized in-field pedestrian behavior can be applied to simulate the induced structural response. It is demonstrated that the in situ identified pacing rate and synchronization rate constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads. The main potential applications of the proposed methodology are the estimation of human-structure interaction phenomena and the development of suitable models for the correlation among pedestrians in real traffic conditions.

A protocol is presented for the characterization of the in-field pedestrian behavior and the simulation of the resulting structural response. Field-tests demonstrate that the in situ identified pacing rate and synchronization rate among the participants constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads.

סימולציה של Vibrations אדם הנגרם על סמך התנהגות הולכי רגל השדה המאופיין

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Sit-to-stand-and-walk from 120% Knee Height: A Novel Approach to Assess Dynamic Postural Control Independent of Lead-limb

Individuals with sensorimotor pathology e.g., stroke have difficulty executing the common task of rising from sitting and initiating gait (sit-to-walk: STW). Thus, in clinical rehabilitation separation of sit-to-stand and gait initiation - termed sit-to-stand-and-walk (STSW) - is usual. However, a standardized STSW protocol with a clearly defined analytical approach suitable for pathological assessment has yet to be defined.
Hence, a goal-orientated protocol is defined that is suitable for healthy and compromised individuals by requiring the rising phase to be initiated from 120% knee height with a wide base of support independent of lead limb. Optical capture of three-dimensional (3D) segmental movement trajectories, and force platforms to yield two-dimensional (2D) center-of-pressure (COP) trajectories permit tracking of the horizontal distance between COP and whole-body-center-of-mass (BCOM), the decrease of which increases positional stability but is proposed to represent poor dynamic postural control.
BCOM-COP distance is expressed with and without normalization to subjects&#39; leg length. Whilst COP-BCOM distances vary through STSW, normalized data at the key movement events of seat-off and initial toe-off (TO1) during steps 1 and 2 have low intra and inter subject variability in 5 repeated trials performed by 10 young healthy individuals. Thus, comparing COP-BCOM distance at key events during performance of an STSW paradigm between patients with upper motor neuron injury, or other compromised patient groups, and normative data in young healthy individuals is a novel methodology for evaluation of dynamic postural stability.

Here, we present a novel protocol to measure positional stability at key events during the sit-to-stand-to-walk using the center-of-pressure to the whole-body-center-of-mass distance. This was derived from the force platform and three-dimensional motion-capture technology. The paradigm is reliable and can be utilized for the assessment of neurologically compromised individuals.

שבי-אל-סטנד-ו-הליכה גובה ברך 120%: גישה חדשנית להעריך דינמי ביציבה שליטה עצמאית של גפה יצוקה

Individuals with sensorimotor pathology e.g., stroke have difficulty executing the common task of rising from sitting and initiating gait (sit-to-walk: ...

Behavior

A Novel Application of Musculoskeletal Ultrasound Imaging

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological approach for biomechanical studies in a clinical or laboratory setting. Towards this goal, methods for quantification of muscle kinematics from ultrasound imagery are being developed based on image processing. The temporal resolution of these methods is typically not sufficient for highly dynamic tasks, such as drop-landing. We propose a new approach that utilizes a Doppler method for quantifying muscle kinematics. We have developed a novel vector tissue Doppler imaging (vTDI) technique that can be used to measure musculoskeletal contraction velocity, strain and strain rate with sub-millisecond temporal resolution during dynamic activities using ultrasound. The goal of this preliminary study was to investigate the repeatability and potential applicability of the vTDI technique in measuring musculoskeletal velocities during a drop-landing task, in healthy subjects. The vTDI measurements can be performed concurrently with other biomechanical techniques, such as 3D motion capture for joint kinematics and kinetics, electromyography for timing of muscle activation and force plates for ground reaction force. Integration of these complementary techniques could lead to a better understanding of dynamic muscle function and dysfunction underlying the pathogenesis and pathophysiology of musculoskeletal disorders.

We describe a new ultrasound-based vector tissue Doppler imaging technique to measure muscle contraction velocity, strain and strain rate with sub-millisecond temporal resolution during dynamic activities. This approach provides complementary measurements of dynamic muscle function and could lead to a better understanding of mechanisms underlying musculoskeletal disorders.

יישום רומן של השלד והשרירים אולטראסאונד הדמיה

Ultrasound is an attractive modality for imaging muscle and tendon  motion during dynamic tasks and can provide a complementary methodological  approach ...

Medicine

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on an optical lever method is designed. A millimetric cantilever is used as a force sensitive component in the measurement system. Firstly, the force sensitivity of the optical lever is calibrated using electrostatic force, which is the critical step in measuring interaction force. Secondly, three super-hydrophobic substrates with different grid fractions are prepared with nanoparticles and copper grids. Finally, the interaction forces between droplets and super-hydrophobic substrates with different grid fractions are measured by the system. This method can be used to measure the force on the scale of sub-micronewton with a resolution on the scale of nanonewton. The in-depth study of the contact process of droplets and super-hydrophobic structures can help to improve the production efficiency in coating, film and printing. The force measurement system designed in this paper can also be used in other fields of microforce measurement.

The protocol aims to investigate the interaction between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. This includes calibrating the measurement system and measuring the interaction force at super-hydrophobic substrates with different grid fractions.

מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

Comparison of Kinetic Characteristics of Footwork during Stroke in Table Tennis: Cross-Step and Chasse Step

The cross-step and chasse step are the basic steps of table tennis. This study presents a protocol to investigate the ground reaction force characteristics between cross-step and chasse step during stroke in table tennis. Sixteen healthy male national level 1 table tennis players (Age: 20.75 &plusmn; 2.06 years) volunteered to participate in the experiment after understanding the purpose and details of the experiment. All participants were asked to hit the ball into the target zone by cross-step and chasse step, respectively. The ground reaction force in the anterior-posterior, medial-lateral, and vertical directions of the participant was measured by a force platform. The key finding of this study was that: the posterior ground reaction force of cross-step footwork (0.89 &plusmn; 0.21) was significantly large (P = 0.014) than the chasse step footwork (0.82 &plusmn; 0.18). However, the lateral ground reaction force of cross-step footwork (-0.38 &plusmn; 0.21) was significantly lower (P &lt; 0.001) than chasse step footwork (-0.46 &plusmn; 0.29) as well as the vertical ground reaction force of cross-step footwork (1.73 &plusmn; 0.19) was significantly lower (P &lt; 0.001) than chasse step footwork (1.9 &plusmn; 0.33). Based on the mechanism of the kinetic chain, the better lower limb dynamic performance of sliding stroke may be conducive to energy transmission and thus bring gain to the swing speed. Beginners should start from the chasse step to hit the ball technically, and then practice the skill of cross-step.

This study presents a protocol to investigate the ground reaction force characteristics between cross-step and chasse step during stroke in table tennis.

השוואה בין מאפיינים קינטיים של עבודת רגליים במהלך שבץ בטניס שולחן: צעד צולב וצעד צ'אסה

The cross-step and chasse step are the basic steps of table tennis. This study presents a protocol to investigate the ground reaction force ...

A Micro-Displacement Measurement Based on the Shadow Technique

The precision measurement of micro displacement is important in scientific and industrial fields. However, it is a tough challenge due to the complex design and the high cost of measuring instruments. Inspired by the shadow formed from water striders walking on a water surface under sunlight, a micro-displacement measurement method was proposed. Water strider legs with superhydrophobic properties bend the water surface. The curved surface of the water refracts sunlight, creating a shadow with a bright edge at the bottom of the pond. The shadow size is generally larger than the indentation depth of the legs from the water surface. In the micro-displacement measurement system, the applied displacement is proportional to the change in the diameter of the shadow. The presented study proposes a micro-displacement measurement procedure based on this shadow technique. The displacement sensitivity can reach 10.0 nm/pixel in the range of 5 &#181;m. This system is simple to construct, low cost, and has high precision with good linear performance. The method provides a convenient additional option to measure micro-displacement.

High-precision micro-displacement measurement is significant in the field of aerospace engineering, ultra-precision machining, and micro-assembly. The present protocol describes measuring micro displacements based on the shadow technique.

The precision measurement of micro displacement is important in scientific and industrial fields. However, it is a tough challenge due to the complex ...