[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究提出一种原位阴影法，基于阿基米德原理，同时测量水黾单条腿在纳米牛顿量级的受力情况，其中腿的阴影面积与排开水的体积及浮力成正比。该技术实现了亚微米级空间分辨率和皮牛顿级力分辨率，能够实时量化运动过程中腿的压入深度、身体俯仰角及受力动态。

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.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、高分辨率的方法，用于测量水黾在自然运动过程中单条腿的受力情况。
• 通过阴影面积测量量化腿的疏水性对支撑力的影响。
• 解析划水和跳跃过程中腿的压入深度、身体俯仰角及重量分布等细尺度动态行为。
• 通过电子天平测量结果验证该方法的准确性，并将其拓展应用于微尺度表面的粘附力测量。

提出的方法

• 利用高速成像技术实时捕捉水黾腿在水面形成的阴影。
• 通过几何标定将阴影面积换算为排开水的体积，并应用阿基米德原理计算浮力。
• 通过阴影面积与水体排移量及已知水密度的关联，实现每像素 nN~pN 级别的力分辨率。
• 采用像素级标定将阴影面积转换为力，空间分辨率分别为每像素 5 µm 用于腿的压入深度，每像素 2 µm 用于体重重心偏移。
• 通过电子天平测量结果验证其在力量化方面的准确性。
• 将阴影法改进为一种测力装置，用于表征毛发和聚合物表面的粘附力，分辨率达到每像素 0.3 nN。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自然运动（如划水和跳跃）过程中，水黾各条腿的受力如何变化？
• RQ2 腿的阴影面积在多大程度上与疏水性及由此产生的支撑力相关？
• RQ3 该阴影法能否解析腿运动过程中亚微米级的压入深度和身体俯仰角变化？
• RQ4 与传统力测量技术相比，该阴影法的力分辨率和准确性如何？
• RQ5 该方法是否可拓展用于高灵敏度测量微尺度表面的粘附力？

主要发现

• 每条腿的支撑力与阴影面积呈线性正比关系，证实了其与疏水性及浮力之间的直接几何关联。
• 该方法实现了每像素 nN~pN 级别的力分辨率，能够检测腿运动过程中微小的力变化。
• 腿压入深度的分辨率达到每像素 5 µm，体重重心偏移的测量分辨率为每像素 2 µm。
• 在腿的复位和跳跃过程中，身体俯仰角的变化可分辨至 0.02 度，优于普通成像系统的分辨能力。
• 该阴影法经电子天平测量结果验证，力量化结果表现出高度一致性。
• 该技术成功拓展至毛发和聚合物表面的粘附力测量，分辨率达到每像素 0.3 nN，展现出广泛的应用潜力。