Đo lực thay đổi của mạng cáp quang được tạo ra khi đặt bằng ngoại lực: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Các tế bào có thể tương tác với chất nền ngoại bào (ECM) xung quanh của chúng và có thể vừa áp dụng cũng như phản ứng với các lực tác động bởi ECM. Đối với dự án của chúng tôi, chúng tôi mô phỏng một mạng các sợi liên kết với nhau sẽ hoạt động như ECM và xem mạng thay đổi như thế nào để phản ứng với chuyển động của một trong các điểm. ECM được mô phỏng như một hệ thống liên kết với nhau của các lò xo mà ban đầu ở trạng thái cân bằng với lực thực bằng không. Khi lực tác dụng lên mạng để phản ứng với chuyển động của điểm, chúng ta cố gắng làm cho các điểm được kết nối phản ứng với lực theo cách mà chúng cố gắng trở lại trạng thái cân bằng. Lực được theo dõi bởi phương trình F = k * x trong đó k là hằng số lò xo và x là sự thay đổi chiều dài sợi. Mô phỏng này có thể giúp cung cấp hiểu biết chung về sự lan truyền lực trong mạng sợi mà cuối cùng có thể được sử dụng để giúp mô phỏng quá trình truyền cơ học.

Bước 1: Tạo ma trận NxN của các hình vuông đồng nhất

Để bắt đầu mã, chúng tôi chọn N sẽ xác định kích thước mạng của chúng tôi (NxN). Giá trị của N có thể được thay đổi theo cách thủ công để thay đổi kích thước mạng khi cần thiết. Trong ví dụ này, N = 8 nên chúng ta có một mạng 8x8 điểm. Sau khi tạo ma trận, chúng ta nối tất cả các điểm trong ma trận có độ dài 1 đơn vị bằng công thức khoảng cách, distance = sqrt ((x2-x1) ^ 2 + (y2-y1) ^ 2). Bằng cách này, chúng ta sẽ có được một mạng lưới các ô vuông cách đều nhau 1 đơn vị. Điều này có thể được nhìn thấy trong hình 101.

Bước 2: Ngẫu nhiên hóa mạng

Trong bước này, chúng tôi muốn ngẫu nhiên hóa tất cả các vị trí điểm ngoại trừ các điểm bên ngoài sẽ tạo thành ranh giới của chúng tôi. Để làm điều này, trước tiên chúng ta tìm tất cả các tọa độ ma trận bằng 0 hoặc N. Những điểm này là những điểm tạo nên đường biên. Đối với các điểm không biên, vị trí được ngẫu nhiên hóa bằng cách thêm một giá trị ngẫu nhiên khác từ -,5 đến 0,5 cho cả vị trí x và y. Hình ảnh ngẫu nhiên được vẽ biểu đồ có thể được nhìn thấy trong Hình 1.

Bước 3: Nhận khoảng cách mới

Khi mạng ngẫu nhiên của chúng tôi được tạo, chúng tôi tìm lại khoảng cách giữa các điểm được kết nối bằng cách sử dụng công thức khoảng cách.

Bước 4: Chọn một điểm và so sánh khoảng cách từ điểm đó đến các điểm khác

Trong bước này, chúng ta có thể chọn một điểm ưa thích bằng cách sử dụng con trỏ, như trong Hình 2. Bạn không cần phải di chuyển con trỏ chính xác vào điểm vì mã sẽ điều chỉnh nó đến điểm kết nối gần nhất. Để làm điều này, trước tiên chúng ta tính toán khoảng cách giữa tất cả các điểm được kết nối và điểm chúng ta vừa chọn. Sau khi tất cả các khoảng cách được tính toán, chúng tôi chọn điểm có khoảng cách nhỏ nhất từ điểm đã chọn để trở thành điểm được chọn thực tế.

Bước 5: Di chuyển đến một điểm mới

Trong bước này, sử dụng điểm đã được chọn ở bước trước, chúng tôi di chuyển điểm đến một vị trí mới. Chuyển động này được thực hiện bằng cách chọn một vị trí mới với con trỏ sẽ thay thế vị trí trước đó. Chuyển động này sẽ được sử dụng để mô phỏng một lực tác dụng do sự thay đổi chiều dài của lò xo. Trong hình vẽ toàn màu xanh lam, một vị trí mới đang được chọn. Trong hình tiếp theo, chuyển động có thể được hình dung bằng các kết nối màu cam là các vị trí mới trái ngược với các kết nối màu xanh lam là các vị trí cũ.

Bước 6: Lực = K * khoảng cách

Trong bước này, chúng tôi áp dụng phương trình lực = k * khoảng cách, trong đó k là hằng số 10 cho các sợi collagen. Bởi vì mạng cáp quang bắt đầu ở trạng thái cân bằng của nó, lực thực là 0. Chúng tôi tạo ra một vectơ không bằng độ dài của ma trận mà chúng tôi đã tạo ra trước đó để biểu diễn trạng thái cân bằng này.

Bước 7: Thay đổi chuyển động của mạng do điểm đã di chuyển

Trong bước này, chúng tôi mô phỏng chuyển động của mạng để đáp ứng với chuyển động của chất điểm để trở về trạng thái cân bằng của nó. Chúng ta bắt đầu bằng cách tìm khoảng cách mới giữa hai điểm. Với điều này, chúng ta có thể tìm thấy sự thay đổi chiều dài sợi quang bằng cách xem xét sự khác biệt giữa khoảng cách cũ và mới. Chúng ta cũng có thể xem những điểm nào đã di chuyển và cả những điểm mà chúng được kết nối với nhau bằng cách so sánh vị trí điểm mới và cũ. Điều này cho phép chúng ta thấy những điểm nào sẽ di chuyển để phản ứng với lực tác động. Hướng của chuyển động có thể được chia thành các thành phần x và y của nó, tạo ra một vectơ hướng 2D. Sử dụng giá trị k, sự thay đổi của khoảng cách và vectơ hướng, chúng ta có thể tính toán vectơ lực có thể được sử dụng để di chuyển các điểm của chúng ta về phía cân bằng. Chúng tôi chạy phần này của mã 100 lần, mỗi lần di chuyển theo gia số Lực *.1. Chạy mã 100 lần cho phép chúng tôi cuối cùng đạt lại trạng thái cân bằng và bằng cách giữ các điều kiện biên, chúng tôi thấy sự thay đổi trong mạng thay vì đơn giản là toàn bộ sự thay đổi. Sự chuyển động của mạng có thể được nhìn thấy trong Hình 3 với màu vàng là các vị trí được di chuyển và màu xanh là các vị trí trước đó.

Bước 8: Hoàn thành mã

Đính kèm trong phần này là một bản sao mã của chúng tôi. Hãy thoải mái sửa đổi nó cho phù hợp với nhu cầu của bạn với việc lập mô hình các mạng khác nhau!