測試設(shè)備：ATA-6223功率放大器、CCD、數(shù)據(jù)采集卡、PC、磁力計(jì)、磁性產(chǎn)生裝置、微型注射泵

實(shí)驗(yàn)過程：為了模仿魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，milliswimmer被驅(qū)動(dòng)在水中產(chǎn)生強(qiáng)大的網(wǎng)推力，使其能夠在重力和外部阻力下在三個(gè)維度上自由游動(dòng)。主要是因?yàn)樗墓ぷ骺臻g更大，適合離體實(shí)驗(yàn)和其他需要這種容量的實(shí)驗(yàn)。然而，較大工作空間系統(tǒng)的高電感需要使用諧振電路來產(chǎn)生足夠的高頻驅(qū)動(dòng)電流。用磁力計(jì)（CH-3600）校準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁場。該系統(tǒng)主要由一個(gè)磁性產(chǎn)生裝置、三個(gè)功率放大器（ATA-6223）、一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡、一臺(tái)PC、三個(gè)電荷耦合器件，（CCD）攝像頭和三個(gè)鏡頭組成。磁系統(tǒng)可以在空間中產(chǎn)生任何方向的磁場。為了監(jiān)測毫秒游泳者游泳時(shí)產(chǎn)生的流場，采用了PIV技術(shù)。中性浮力聚酰胺種子粒子均勻分散在實(shí)驗(yàn)水環(huán)境中，用532nm激光照射。使用高速CCD攝像機(jī)從側(cè)面或頂部記錄粒子的運(yùn)動(dòng)，并使用openpiv157對(duì)粒子圖像進(jìn)行分析。使用微型注射泵向彎曲的玻璃管提供流體輸入，通過控制噴射泵的水平推進(jìn)速度，可以調(diào)節(jié)彎曲玻璃管入口處的平均流體速度。

圖1-1微微粒子在離體豬泌尿系統(tǒng)器官中的潛在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：說明了在恒定的磁場大小和驅(qū)動(dòng)頻率下，毫游泳運(yùn)動(dòng)員如何使用由操縱桿控制的不同游泳動(dòng)作成功導(dǎo)航障礙物并遵循預(yù)定義的軌跡，包括“M”、“S”和“R”形狀（MSR）。最初，milliswimter采用模式1游泳，沿著“M”形的軌跡前進(jìn)（圖1-2b）。當(dāng)接近水平窄間隙障礙物1（長度2×寬度0.3mm，如圖1-2c的插圖所示）時(shí)，milliswimter通過調(diào)整滾動(dòng)角度θ從模式1過渡到模式2輥到90，成功穿過狹窄的水平間隙。隨后，游泳者在這種模式下繼續(xù)沿著S形軌跡游泳（圖1-2c）。當(dāng)接近傾斜的45°窄間隙障礙物2（長度2×寬度0.3mm，如圖1-2d插圖所示）時(shí)，毫游泳者調(diào)整θ輥到45，成功穿越狹窄的間隙障礙物2。在此之后，通過以滾動(dòng)頻率f旋轉(zhuǎn)milliswimmer輥1Hz，它采用模式3并沿R形軌跡向前移動(dòng)（圖1-2d）。最后，這位毫不費(fèi)力的游泳運(yùn)動(dòng)員從模式3過渡到模式1，毫不費(fèi)力地避開圓形障礙物并在水中航行。在整個(gè)過程中，毫游泳者的平均手動(dòng)操作誤差為0.45毫米（0.12BL）。

圖1-2milliswimr的可控性和環(huán)境適應(yīng)性。a）毫游泳者平穩(wěn)地遵循預(yù)定軌跡（MSR）并調(diào)整其游泳模式以穿過狹窄間隙的示意圖。b）“M”形的軌跡。c）障礙物1，其特征是水平狹窄的間隙（長2毫米，寬0.3毫米，見插圖）和S形軌跡。d）障礙物2，一個(gè)45°角的傾斜狹窄間隙（長2毫米，寬0.3毫米，如圖所示）和一個(gè)R形軌跡。e）在基于視覺的自動(dòng)控制下，milliswimter使用三個(gè)游泳動(dòng)作來跟蹤魚形和MSR軌跡。該圖顯示了跟蹤的統(tǒng)計(jì)誤差分布。f）在基于視覺的自動(dòng)控制下，毫游泳運(yùn)動(dòng)員可以停留在空間中的指定點(diǎn)并懸停在指定的水平面上，在三個(gè)游泳泳姿中的每一次中表現(xiàn)出不同程度的誤差。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差N=3。g）在基于視覺的自動(dòng)控制下，milliswimter使用三個(gè)游泳動(dòng)作來跟蹤螺旋軌跡的統(tǒng)計(jì)誤差分布。h）通過在三個(gè)游泳泳姿之間切換，milliswimter在復(fù)雜的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（珊瑚狀）周圍自由游泳的行為。i）milliswimper在3D網(wǎng)絡(luò)中游泳的示意圖。ii）毫游泳者在3D結(jié)構(gòu)中連續(xù)游泳的視頻快照。比例尺，2毫米。

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審核編輯 黃宇