[論文レビュー] In Situ Simultaneous Measuring Forces Acted on Individual Legs of Water Striders According to Archimedes' Principle

Yelong Zheng, Hongyu Lu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 52被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、アーキメデスの原理を応用し、水バチの脚の影の面積と排水体積、浮力との相関関係を用いて、個々の水バチの脚に作用するナノニュートンレベルの力を同時に測定するイン・サイト影法を提案する。この手法は、サブミクロンの空間分解能およびピコニュートンの力分解能を達成し、運動中の脚の押し込み深さ、体幹のピッチ、力のダイナミクスをリアルタイムで定量可能である。

ABSTRACT

The supporting forces of all the legs have been simultaneously measured through a natural phenomenon inspired shadow method, by capturing water strider leg shadows to calculate the expelled water volume and the equivalent floating forces according to Archimedes' principle, with a sensitivity up to nN~pN/pixel. The method was verified by comparing to electronic balance to weight water striders. The supporting force acted on legs was found to linearly proportional to its shadow area, which geometry clearly indicated the hydrophobicity of legs. The pressed depth of legs, vertical weight focus position change and body pitch angle during leg refreshing, sculling and jumping forward of water striders have been achieved with resolutions of 5um/pixel, 2 um/pixel, and 0.02 degree, respectively, which is difficult for general imaging technologies. The shadow method was also developed into a force measuring device and characterized the adhesion force of a hair/polymer surface contact in a few uN with a 0.3 nN/pixel resolution.

研究の動機と目的

• 自然な運動状態下における個々の水バチの脚に作用する力を非侵襲的かつ高分解能で測定する手法を開発すること。
• 影の面積測定を用いて、脚の疎水性が支持力に与える影響を定量すること。
• 掻き足しやジャンプ時の微小スケールのダイナミクス、例えば脚の押し込み深さ、体幹のピッチ角、体重分布の変化を解明すること。
• 電子天秤による測定と比較して手法の妥当性を検証し、マイクロスケールの表面における接着力測定への応用を拡張すること。

提案手法

• 高速撮影を用いて、水バチの脚が水面に映す影をリアルタイムで捉える。
• 幾何的キャリブレーションを用いて影の面積から排水体積を計算し、アーキメデスの原理を適用して浮力（支持力）を算出する。
• 影の面積と水の体積変化との相関関係および既知の水の密度を用いて、nN～pN/pixelの力分解能を達成する。
• ピクセルベースのキャリブレーションにより、影の面積を力に変換し、脚の深さ分解能は5 µm/pixel、体重集中のずれ分解能は2 µm/pixelを達成する。
• 力の定量における正確性を検証するため、電子天秤による測定と比較した。
• 影法を応用した力測定装置を構築し、髪の毛や高分子表面における接着力の測定に応用し、0.3 nN/pixelの分解能を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水バチの個々の脚の力は、掻き足しやジャンプなどの自然な運動状態下でどのように変化するか？
• RQ2 脚の影の面積は、その疎水性およびそれによる支持力とどの程度相関するか？
• RQ3 影に基づく手法は、脚の運動に伴うサブミクロンスケールの脚の押し込み深さおよび体幹ピッチ角の変化を解像できるか？
• RQ4 従来の力測定技術と比較して、この影法の分解能および正確性はどの程度か？
• RQ5 この手法は、高感度を有するマイクロスケールの表面における接着力測定へ応用可能か？

主な発見

• 各脚に作用する支持力は、影の面積に比例しており、疎水性および浮力と直接的な幾何的関係があることが確認された。
• 本手法はnN～pN/pixelの力分解能を達成し、脚のダイナミクスに伴う微小な力の変化を検出可能となった。
• 脚の押し込み深さは5 µm/pixelの精度で解像され、体重集中のずれは2 µm/pixelの分解能で測定された。
• 脚のリフレッシュやジャンプに伴う体幹ピッチ角の変化は0.02度の分解能で解像され、従来の撮影システムの能力を上回った。
• 電子天秤による測定と比較した結果、本影法は力の定量において良好な一致を示し、妥当性が検証された。
• 本手法は髪の毛や高分子表面における接着力の測定へ応用され、0.3 nN/pixelの分解能を達成した。広範な応用可能性が示された。