[논문 리뷰] Parsimonious inertial cavitation rheometry via bubble collapse time

Zhiren Zhu, Remillard, Sawyer외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 08.

Ultrasound and Cavitation PhenomenaMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 관성 미소기포 률성 측정법(Inertial Microcavitation Rheometry, RO-IMR)을 위한 저차원 역모델링 프레임워크를 제안하며, 기포 붕괴 시간 비율에 기반한 스케일링 기법을 활용해 고변형률 속도에서 연성 소프트 재료의 점탄성 특성을 효율적으로 특성화한다. 점성 없는 유체에 대한 크기 의존성 붕괴 시간 비율을 이용하여, 최소한의 수치 시뮬레이션으로도 탄성 및 점성 모듈러스를 직접 추정함으로써, 폴리아크릴아미드 및 시뮬레이션 조직에서 복잡한 점탄성 모델의 빠른 물리 기반 캘리브레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The rapid and accurate characterization of soft, viscoelastic materials at high strain rates is of interest in biological and engineering applications. Examples include assessing the extent of tissue ablation during histotripsy procedures and developing injury criteria for the mitigation of blast injuries. The inertial microcavitation rheometry technique (IMR, Estrada et al., 2018) allows for the characterization of local viscoelastic properties at strain rates up to 1E8 per second. However, IMR now typically relies on bright-field videography of a sufficiently translucent sample at >1 million frames per second and a simulation-dependent fit optimization process that can require hours of post-processing. Here, we present an improved IMR-style technique, called parsimonious inertial microcavitation rheometry (pIMR), that parsimoniously characterizes surrounding viscoelastic materials. The pIMR approach uses experimental advancements to estimate the time to first collapse of the laser-induced cavity within approximately 20 ns and a theoretical energy balance analysis that yields an approximate collapse time based on the material viscoelasticity parameters. The pIMR method closely matches the accuracy of the original IMR procedure while decreasing the computational cost from hours to seconds while potentially reducing reliance on ultra-high-speed videography. This technique can enable nearly real-time characterization of soft, viscoelastic hydrogels and biological materials with a numerical criterion assessing the correct choice of model. We illustrate the efficacy of the technique on batches of tens of experiments for both soft hydrogels and fluids.

연구 동기 및 목표

• 관성 기포 현상 하에서 연성 생물학적 재료의 점탄성 모델을 캘리브레이션하는 데 높은 계산 비용과 난이도 문제를 해결하기 위해.
• 관성 미소기포 률성 측정법(IMR)에서 무차별적 매개변수 반복을 피하는 단순한 역방향 방법을 개발하기 위해.
• 폴리아크릴아미드 및 생물학적 조직과 같은 연성 고체에서 비율 의존성 기계적 특성의 효율적이고 局부적 특성화를 가능하게 하기 위해.
• 모델 과적합에 대한 민감도를 줄이기 위해 붕괴 시간을 핵심 물리적 관측량으로 집중함으로써 실험 정확도를 향상시키기 위해.
• 의료 및 생체공학 분야에서 실시간 고속 기계적 특성 측정에 적용 가능한 IMR의 적용 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 동일한 재료 내에서 두 개의 다른 초기 반지름에서 기포 붕괴 시간의 스케일링에 기반한 저차원 모델을 사용한다.
• 켈빈-보이트 타입의 구성 모델을 가정할 때, 붕괴 시간 비율과 재료의 탄성 및 점성 모듈러스를 연결하는 닫힌 형태의 관계식(식 45)을 유도한다.
• 구형 대칭을 가정하고, 재료의 리콜리케이션 행동에서 유도된 점탄성 응력 항을 포함한 레일리-플레스펙 타입의 방정식을 사용한다.
• 전체 유체-구조 상호작용 문제의 완전한 수치적 해를 구하는 것을 회피하고 붕괴 시간 스케일링에 집중함으로써 계산 비용을 극적으로 감소시킨다.
• 수치 시뮬레이션 및 폴리아크릴아미드 시편에서의 실험 데이터와의 비교를 통해 방법의 타당성을 검증한다.
• 고속 샤프트그래피 및 다중 스토비ング을 활용하여 붕괴 시간을 1 마이크로초 이내의 정밀도로 측정함으로써 측정 오차의 증폭을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 기포 크기 간의 붕괴 시간 스케일링을 통해 반복적 매개변수 피팅 없이 직접 점탄성 모듈러스를 추론할 수 있는가?
• RQ2 저차원 모델이 소프트 재료에 대한 수치적으로 시뮬레이션된 관성 기포 현상 역학을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 측정 오차에 대한 붕괴 시간 측정의 불확실성은 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 프레임워크는 폴리아크릴아미드 및 연성 조직에서 복잡한 비율 의존성 점탄성 거동을 정확하게 특성화할 수 있는가?
• RQ5 붕괴 시간 비율을 사용하여 측정 가능한 점탄성 특성의 범위를 극대화하기 위해 실험 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• RO-IMR 방법은 단순한 수치 시뮬레이션 수를 사용하여도 목표로 하는 수치적 관성 기포 현상 역학을 높은 정밀도로 재현한다.
• 이 방법은 폴리아크릴아미드 시편에서 표준 비선형 고체 및 분수형 켈빈-보이트 모델 모두에 대해 정확한 역방향 특성화를 가능하게 한다.
• 무차별적 매개변수 캘리브레이션의 필요성을 줄여 계산 비용을 크게 낮추면서도 예측 정확도를 유지한다.
• 붕괴 시간 측정의 불확실성은 주요 제한 요소이며, 붕괴 시간 비율에서 오차의 증폭을 방지하기 위해 1 마이크로초 이내의 정밀도가 필요하다.
• 붕괴 시간 비율이 넓은 범위를 차지할 때 방법이 가장 효과적이다 — 특히 하나의 실험은 유체의 경우보다 훨씬 빠르게(탄성), 다른 하나는 훨씬 느리게(점성) 붕괴될 경우에 특히 그렇다.
• 최대 기포 반지름(R_max^B / R_max^A < 1.3)이 유사하고, 붕괴 시간이 점성 없는 경우에 가까운 실험 쌍은 비율 항에서 오차 증폭으로 인해 해가 실패하는 경향이 있었다.