Automatic Translation

This translation into Norwegian was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Engineering

En robot plattform å studere Foreflipper av California Sea Lion

1, 1, 1, 1

1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Article
    Downloads Comments Metrics Publish with JoVE

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    Enter your email to receive a free trial:

    Welcome!

    Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!


    Admit it, you like to watch.

     

    Summary

    En robot plattform er beskrevet som skal brukes til å studere de hydrodynamiske performance-krefter og Flowfields-av svømme californiasjøløve. Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp ').

    Date Published: 1/10/2017, Issue 119; doi: 10.3791/54909

    Cite this Article

    Kulkarni, A. A., Patel, R. K., Friedman, C., Leftwich, M. C. A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion. J. Vis. Exp. (119), e54909, doi:10.3791/54909 (2017).

    Abstract

    Den californiasjøløve (Zalophus californianus), er en smidig og kraftig svømmer. I motsetning til mange vellykkede svømmere (delfiner, tunfisk), genererer de fleste av sine fremstøt med sine store foreflippers. Denne protokollen beskriver en robot plattform designet for å studere den hydrodynamiske ytelsen til svømming californiasjøløve (Zalophus californianus). Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp '). Kinematikken over havet bror propulsiv slag er hentet fra videodata av umerkede, ikke-forskningssjøløver ved Smithsonian Zoological Park (SNZ). Disse data danner basis for aktiveringen bevegelse av robotsmekkpresentert her. Geometrien av robot flipper bygger en på høyoppløselig laserskanning av et foreflipper av en voksen kvinne sjøløve, skalert til ca 60% av fullskala flipper. Ledd modellen har tre joints, etterligne albue, håndledd og rste ledd av sjøløve foreflipper. Robot plattform kamper dynamikk egenskaper-Reynolds tall og tips speed-av dyret ved akselerasjon fra stillestående. Robot flipper kan brukes til å bestemme ytelsen (krefter og momenter) og resulterende Flowfields.

    Introduction

    Mens forskere har undersøkt de grunnleggende egenskapene til sjø løve svømming (energetics, transportkostnader, luftmotstandskoeffisient, lineær hastighet og akselerasjon 1-3, mangler vi informasjon om fluiddynamikk i systemet. Uten denne kunnskapen, begrenser vi potensialet høyhastighets høy manøvrerbarhet tekniske applikasjoner til kroppshalefinnen (BCF) locomotion modeller 4. Ved å karakterisere et annet svømming paradigme, håper vi å utvide vår katalog av designverktøy, spesielt de med potensial til å aktivere roligere, stealthier former for svømming. Dermed studerer vi den grunnleggende mekanismen av sjøløve svømming gjennom direkte observasjon av californiasjøløve og laboratorieundersøkelser ved hjelp av en robot sjøløve foreflipper 5,6.

    For å gjøre dette, vil vi ansette en mye brukt teknikk for å utforske komplekse biologiske systemer: en robot plattform 7. Flere locomotion studier-both av å gå 8,9 og svømming 10 -har vært basert på enten komplekse 11 eller svært forenklede 12 mekaniske modeller av dyr. Vanligvis robot plattformer beholde essensen av modellsystemet, samtidig som forskere å utforske store parameter mellomrom 13-15. Selv om det ikke alltid å karakterisere hele systemet, mye læres gjennom disse plattformene som isolerer en enkelt komponent av et lokomotiv system. For eksempel, den grunnleggende funksjon av ustø propulsors, som det frem-og-tilbake feiing av en halefinnen under carangiform bading, er blitt intenst undersøkt ved eksperimentelle undersøkelser av stamping og / eller duvende paneler 12,16,17,18. I dette tilfellet, kan vi isolere enkelte av denne komplekse bevegelser på en måte som animalske studier ikke kan. De grunnleggende aspekter av fremdrift kan deretter brukes i utformingen av kjøretøy som ikke trenger den biologiske kompleksitet utviklingen gir.

    (Zalophus californianus) prøven. Den roboflipper aktiveres for å gjenskape den bevegelse av dyrenes avledet fra tidligere studier 1. Denne robot flipper vil bli brukt til å undersøke hydrodynamiske ytelse av svømme sjøløve og for å utforske et større parameter plass enn dyrestudier, særlig de store vannlevende pattedyr, kan gi.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Protocol

    1. Digitalisere et eksemplar av et Sea Lion Foreflipper

    1. Skann et eksemplar av en sjøløve foreflipper.
      1. Skaff et eksemplar av en sjøløve flipper fra en avdød person (Figur 1a).
        MERK: I vårt tilfelle ble de hentet fra Smithsonian Zoological Park i Washington, DC
      2. Heng foreflipper vertikalt fra sin base (der foreflipper festes til dyrets kropp). Dette både gjør at flipper å være rett når skannet, og eksponerer hele overflaten for skanning.
      3. Scan flipper bruker en høy oppløsning strukturert lys skanner, med en nøyaktighet på ca 0,5 mm, og feil på ca 0,1 mm (Figur 1b).
    2. Importer punktsky til CAD-programvare og gjengi det som en overflate. For å gjøre dette, klikk "Åpne" og velg ønsket Obj fil. Klikk på "Import" for å importere filen inn i CAD-programvare.
    3. Manipulere den resulterende punktsky hjelpet dataassistert konstruksjon (DAK) programvare ved å klikke på 'Extruded cut "og kutte ut kjøttet del (uønsket del) av skanningen. Deretter klikker du på "Scale" for å få riktig skalering for robot flipper (68% av full størrelse). Inspiser flipper for tilstrekkelig detaljrikdom ved å sammenligne den opprinnelige prøven (figur 2).
    4. Lag formen rundt flipper.
      1. I et CAD-programvare, bruker du flipper flater for å danne en form ved å opprette et området volum rundt flipper overflaten. Gjør dette ved ekstrudering av en rektangulær blokk ved å klikke på "skisse" å tegne et rektangel og ekstrudering det til mer enn høyden på flipper helt omfatte den.
      2. Klikk på "Assembly" og importere begge deler (flipper og rektangulær blokk) i arbeidsområdet. Klikk på "Mate" og gjøre fronten og toppen planet av både flipper og mugg som sammenfallende. Dette plasserer automatisk flipper inne i formen.
      3. Select mold fra designtreet, og klikk "Rediger Part". Når den delen er valgt, klikk på "Sett inn> Funksjon> Cavity" for å lage et hulrom av flipper inne i formen. Tegn en linje på midten av den rektangulære formen og klikk på "Split" for å danne to deler av samme mold.
      4. Klikk på "Cut Part" for å skille den omkringliggende volum i to deler for enkel flipper utvinning. Sett hulrom og knagger på hver halvdel av volum og lagre det som en del en og to av flipper mold (figur 3).
      5. Konverter '.SLDRPT' filer av formen til "STL". Importere disse filene til proprietær programvare for 3D-skriveren, og klikk på "Skriv ut" for å generere 3D trykt form.

    2. Design benstrukturen

    1. Åpne digitale foreflipper i et CAD-programvare og få et bilde av Sjøløve foreflipper benbygning for referanse (for eksempel FigurEn på engelsk, 1977 19).
    2. Designe tre forskjellige stykker som etterligner den beinstrukturen som vil passe inn i den digitale modellen av foreflipper. Gjennom denne fremgangsmåte, refererer "base" til enden av en del nærmere bunnen av foreflipper og "spiss" refererer til enden av delen nærmere spissen av foreflipper.
      1. Base Piece
        1. Gjør lengden på dette stykket proporsjonal med avstanden mellom skulderleddet og håndleddet på Sjøløve flipper (målinger oppnås ved hjelp av målebånd). Gjør dette ved å bruke et CAD-programvare ved å klikke på "Skisser" og designe formen på basen stykke (figur 4).
        2. Legg knokene i begge ender av den delen ved å klikke på "Sketch" og tegne to sirkler. Klikk på "Boss Ekstruder 'for å ekstrudere den ønskede lengde fra planet til basisstykket. Klikk på skisse av mindre sirkel for å skjære i extrude ved å klikke "Kutt Extrude" for å gjørerom for akselen. For å styrke denne felles, klikk på "fileten" for å jevne ut skarpe skjøter.
          MERK: Dimensjonene av sirklene avhenger av størrelsen av skaftet som skal brukes under montering smekk på toppen av vannet rennen. I vårt tilfelle er diameteren av den mindre sirkelen er 0,5 inches, og den større sirkel er 1 inches. Basen slutt vil bli sittende utenfor flipper huden geometri, så størrelsen på knokene ikke faller inn under rammen av huden.
      2. Middle Piece
        1. Gjøre lengden av dette stykket proporsjonal med avstanden mellom håndleddet og den rste ledd av et hav lion. Gjør dette ved å klikke på "Skisser" og skissere ønsket fasong (som vist i figur 4b) på et fly Når geometrien er utformet, klikk på "Extrude 'for å få den grunnleggende tredimensjonal form av midtstykket. Input den ekstruderte lengde som 0.1650 inches.
          NB: Den ønskede formen av midtstykketi vårt eksperiment er et trapes med en høyde på 2,25 inches, og lengden av de to baser som henholdsvis 1.625 og 0.850 inches.
        2. Legg knokene på begge ender. Gjør dette som beskrevet i trinn 2.2.1.2. Diameteren av det ekstruderte snitt er 0,125 inches. Koble knokene på den indre enden til den ytre enden av basisstykket med en axel for å danne et hengsel som representerer leddet felles.
          MERK: Knokene må passe inn volumet på foreflipper, så utforme tilsvarende.
        3. Legg et tårn omtrent 1 cm i høyden til den ytre enden av stykket på begge sider.
          1. For å legge til et tårn, klikk på "Skisser" og skissere et rektangel på undersiden av modellen. Ekstrudere skissen ved å velge skisse og klikke på "Boss Extrude '. Tykkelsen av tårnet i dette spesielle tilfellet er 0,165 inches.
          2. Klikk på "fileten" og velg den modellen og den ene kanten av ekstrudert tårnet. Dette styrker den skarpe felles der tårnet og base av midtstykket er koblet sammen. Det er greit hvis tårnet rager ut fra geometrien av huden. Tårnet skal være tykk nok til å motstå kreftene som genereres i løpet av en flipper klapp. Se figur 4 for referanse.
      3. tips Piece
        1. Gjøre lengden av dette stykket proporsjonal med avstanden mellom gaffelledd og spissen av den lengste finger ben av et hav lion. Gjør dette ved å klikke på "Skisser" og skissere en ønsket form på et fly Når geometrien er utformet ved å klikke på ekstruder for å få den grunnleggende tredimensjonal form av spissen stykke.
        2. Legg knokene på begge ender. Gjør dette som beskrevet i trinn 2.2.1.2. Diameteren av den ekstruderte snitt bør være lik diameteren av den aksel, som i dette eksperimentet er 0,125 inches. Knokene på basisenden vil bli koblet til den ytre enden av midtstykket med en aksel for å danne et hengsel som representerer den gaffelledd. Geometrien til disse KNUckles må passe inn i geometrien i foreflipper huden, så utforme tilsvarende.
        3. Legg et tårn omtrent 1 cm i høyden til basisenden av stykket på begge sider. Gjør dette beskrevet i trinn 2.2.2.3. Tykkelsen av tårnet i dette spesielle tilfellet er 0,165 inches. Det er greit hvis tårnet rager ut fra geometrien av huden. Tårnet skal være tykk nok til å motstå kreftene som genereres i løpet av en flipper klapp. Se figur 5 for referanse.

    3. Opprette en Flipper

    1. 3D skrive ut skjelettet (base, midtre og tippe stykker) av flipper. Konverter '.SLDRPT' fil fra CAD til "STL" og importere den til skriverens proprietær programvare, og klikk "Skriv ut".
      MERK: Utskrifts instruksjonene er forskjellig for hver skriver.
      1. Forsterk knokene på midten og tips stykke med et lim (epoxy) og karbontråder. For å gjøre dette, kutte carbpå tråder av lengde 0.750 inches. Påfør lim til 3D-trykt bein strukturer og legg trådene over knokene. Det er ikke nødvendig å forsterke de store knokene på basestykket (figur 5a).
      2. Bore hull i bunnen av hvert tårn diameteren av Kevlar strengen (strenger som vil bli brukt for å påvirke leddene).
      3. Samle alle bein stykker sammen fra rot til tupp hjelp aksler. Gjør dette ved å plassere alle komponentene på et flatt bord som vist i Figur 4. Slik kobler basen og midtstykket, justerer knokene av delene og sett akselen. Bruk samme teknikk for å koble midten og spissen stykke sammen. Bruke et klebemiddel på hver ende av hver aksel for å sikre at akselen ikke bevege seg sideveis (figur 5b).
      4. Skjær plastrør til følgende lengde. Skjær fire rør lengden av basis ben stykket (L 1 = 8 cm) og to rør lengden av midtstykket (L 2 = 6 cm).
      5. Skjær 4 stykker av KevLar streng, hver 3 fot i lengde.
      6. Skyv en streng gjennom en L en tube og deretter en L 2 rør. Skyv en annen streng gjennom en L en tube. Gjenta fremgangsmåten med de gjenværende rør og strenger.
      7. Plasser rørene på toppen av beinstrukturer og bruke en klar tape for å holde dem på plass midlertidig. Ved hjelp av et lim, feste rørene på benbygning og fjern deretter tapes.
        Merk: Det er ingen spesifikk posisjon i hvilken rørene må plasseres, er den kritiske aspektet å bare holde dem på overflaten av strukturen. Bruk Figur 5c som en retningslinje.
      8. Træ Kevlar strengen fra l en tube og L2 rør gjennom hullene som er boret inn på spissen og mellomstykker som beskrevet i trinn 3.1.2. Foreta en liten, men sikker knute når strengen er gjennom hullet (figur 5d).
    2. Legge huden av flipper å skape en endelig flipper.
      1. Mål 200 ml Silicpå og silisium medium i to forskjellige beholdere.
      2. Hell begge disse væskene inn i en stålbolle. Legg tynner (for ikke å overstige 10% av vekten av den totale blanding) til blandingen, for lett å helle og blanding.
      3. Bruk en stand blandebatteri for å blande blandingen grundig i 3-4 min. Farge kan tilsettes ved dette trinnet for å oppnå de ønskede visuelle effekter. Hvis en stand blandebatteri er ikke tilgjengelig, bruk en visp til å blande det, ta vare å skrape sidene og bunnen av beholderen.
      4. Sett inn en stang inn i knokene på basisdelen og justere det med knokene på den flipper mold. Når tappene passer inn i hulrommene i formen, blir beinstrukturen justert perfekt i smekk formen. Mens holder nede på de to deler av støpeformen, festes delene ved hjelp av en klemme for ytterligere komprimering (dette trinnet er kritisk, slik at silikonblandingen ikke lekker fra spalten mellom de to deler).
      5. Når blandingen er blandet, forsiktig helle den i formen inntil de øverste knokeneav benstrukturen. Oser av væske fra bunnen hull i formen er et tegn på blandingen bli jevnt fordelt. Ved begynnelsen av denne, at den tetter hullet for å unngå ytterligere strømning av væsken. La væsken for å herde i fire timer før fjerning av smekk roboten fra støpeformen (se figur 6).

    4. Montering

    1. For å montere silisium foreflipper på vannet Flume (figur 7), opprette en monteringsstruktur. Et DAK-representasjon av den ferdige sammenstillingen er vist. (Figur 8).
      1. Design en plate med en nøye ekstrudert kutt ved hjelp av CAD-programvare. Klikk på "Sketch" og tegne et rektangel av dimensjoner 14 x 19 inches (høyden spiller ingen rolle som laserkutteren bruker en DWG-fil). Bruke et rektangulært ark av stål som basis for å fremstille denne plate. Last opp en todimensjonal tegning fra CAD-programvare på en datamaskin som er koblet til en stål laser cutter for å oppnå de ønskede kutt.
        MERK: This plate huser motor og kutt i det åpner for skivene systemet skal fungere. Bredden av platen er lik bredden av vannrennen, og dermed gjør det lettere å skyve platen over rennen. Denne type plassering hjelper i lett fjernelse av monteringsanordningen for å erstatte deler av eller foreflipper modell.
      2. Fest foreflipper og trinsen på en aksel, som glir inn i en trekantet truss.
        MERK: En tre-trinsesystem er implementert for å overføre moment / kraft fra motoren til stangen.
      3. Bruk lagrene på hver side for å bidra til stangen for å rotere jevnt. For å begrense bevegelsen av stangen i sideretningen, sett akselrørene på hver ende av akselen.
    2. Sett bevegelse av flipper ved å velge jogging funksjonen på sjåføren. Ved å trykke på "Up" -knappen roterer flipper med klokken og "Down" -knappen roterer flipper mot klokken. Driveren gir mulighet for endring omdreininger per minutt av motorenaksel i henhold til instruksjonene i håndboken 20.
    3. Sett rettvinklede fargestoff port i vannet og øke trykket på den fargestoff-systemet. Juster hastigheten av fargestoff til den freestream hastigheten til vannet slik at fargestoffet fremstår som et enkelt glatt filament. Rotere flipper, slik at fargestoffet reagerer og blir fanget med de resulterende virvlene genereres.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Prosessen er beskrevet ovenfor gir en robot modell av en californiasjøløve foreflipper. Modellen kan brukes på to forskjellige måter. Én er ved aktivering av smekk bare ved roten (figur 6a). I dette tilfellet setter drivmotoren rotasjonshastigheten av det første ledd, men den resulterende bevegelse av smekk bestemmes av fluidum-struktur interaksjon mellom den fleksible flipper og det omgivende vann. I tillegg kan vi skape robotsvømmeføtter som aktiveres i de to nederste ledd i tillegg til roten (figur 6b). Dette gjøres gjennom tårnkonstruksjoner trykket på skjelett stykker. Ledninger koblet til tårnene er koblet til separate motorer og kan aktivt styre camber av flipper under klapping bevegelse.

    Hensikten med robot flipper er å utforske hydrodynamics av fremdrifts slag av californiasjøløve som beskrevet i Friedman, 2014 1. En måte å gjøre dette på, kvalitativt, er gjennom fargestoffbasert flyt visualisering. Robot flipper er montert til en resirkulerende vannrenne (figur 7), ved hjelp av sammenstillingen som er beskrevet ovenfor. Motoren og strømningshastigheten blir satt for å utforske en gitt parameter plass slik som Reynolds tall basert på smekk korden (Re = CU / ν hvor ν er den dynamiske viskositet av vann) eller vinkelhastighet, ω, eller akselerasjon, α .

    Fargestoffet visualiseringen vist i figur 9 anvender fluorescerende fargestoff injiseres like oppstrøms for forkanten av flipper. Fargestoffet medrives inn i det skjær lag på overflaten av smekk og gjør det mulig for oss å visualisere virvelen strukturen i kjølvannet. Figur </ strong> 9a viser strøm av fargestoff blir injisert oppstrøms (til høyre), av flipper. Forstyrrelsene sett på venstre side av bildet er et resultat av den foregående syklus. Som flipper beveget gjennom injeksjons plassering (figur 9b), lavt trykk på den øvre overflate av smekk fører til at fargestoffet til å bli trukket rundt flipper. Endelig (figur 9c), en vortex former som flipper beveger seg helt ut av flyet. Denne strukturen convects nedstrøms med den midlere strømnings. Disse resultatene demonstrerer hvordan denne teknikken kan brukes til å kvalitativt bestemme Flowfield som omgir et hav lion under drivslag.

    I tillegg til de kvalitative målinger av smekkkjølvannet, kan vi bruke partikkel bilde velocimetry (PIV) for å måle hastighetsfeltet som omgir flipper. Dermed kan vi få kvalitative data om den hydrodynamiskes av sjøløve svømming for en rekke reproduserbare situasjoner.

    Figur 1
    Figur 1: Flipper Bottom sammenligning. En venstre foreflipper fra et prøveeksemplar av en kvinnelig californiasjøløve brukes til å bestemme robot Flipper geometriske parametere. Den øverste panel (a) er en høy oppløsning, to-dimensjonalt bilde av flipper. Den nedre panel (b) er et tredimensjonalt, dataassistert konstruksjon gjengivelse av flipper fra laserskanning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 2
    Figur 2: Wire. Den digitalt bilde av det skannede flipper beholdeer de geometriske funksjonene i dyrets foreflipper. Dette bildet viser en wire-frame visning av digital flipper. Ni jevnt fordelte tverrsnitt er vist i grått (hver centimeter fra basen til spissen av foreflipper). De to isometriske riss (tverrsnitt 1 og 7) viser at smekk har et vingelignende form, med en tykkere, avrundet fremre kant. Den flipper er bombert, med sin øvre overflate mer konveks og dens indre overflate konkav. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 3
    Figur 3: Mold. Formen brukes til å lage fleksible delen av robot flipper er opprettet fra de skannede flipper prøven. Formen har to deler: en øvre (lilla) og en nedre del (grønne) som er i samsvar med mannlige og FEMale innlegg, henholdsvis. Roboten skjelett (figur 4) er innrettet inne i formen før silikonblandingen helles i formen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 4
    Figur 4: Skeleton. Den fleksible robot flipper er støttet av et skjelett trykt i tre deler: den base (a), den midterste (b) og spissen (c). Basen og midten, og i midten og spissen, er forbundet med plugger gjennom knokene på leddene. Dette gir rom for fleksibilitet om disse stedene av den ferdige flipper. Klikk her for å se en større versjon av denne Figure.

    Figur 5
    Figur 5: Skeleton Assembly. Etter utskrift skjelett deler, knokene forsterket med karbontråder (a), de er koblet på knokene med aksler (b), er guide-rør festet til basen og mellomstykker (c) og Kevlar tråder er koblet til tårnene (d). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 6
    Figur 6: Robotic Flipper. Robot flipper er laget av fleksible silikon (hvit) med en imbedded plastbærekonstruksjon (blå). Skaftet på basen roterer, emulere rotasjon ved albuen og skulderen av dyret. Robot flipper kan være passiv (a), hvor det er bare betjenes ved roten og den resulterende bevegelse er basert på væske-struktur interaksjoner, eller aktiv (b) hvor Kevlar-tråder kobles til knokene tilveiebringe de nødvendige endringer i spenn. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 7
    Figur 7: Flume. Flømmingseksperimenter utføres i resirkuleringsvannet renne ved George Washington University. Rennen har en arbeidsseksjon 0.60 (bredde) ved 0,40 (dybde) meter, 10 meter lang, og kan kjøres ved strømningshastigheter på opp til 1 m / s. Strømnings er fra høyre til venstre i figuren. Robot flipper er montert ved hjelp av enheten vist i Figure 8 til skinnene på toppen av testseksjonen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 8
    Figur 8: Montering. Robot flipper er montert på en resirkulerende renne med en tilpasset montering. Monteringen har en servomotor som er koblet til hovedaksen av robotsmekk (som ligger ved roten av robot flipper) gjennom et belte og tre trinser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 9
    Figur 9: Dye visualisering. fluorescentfargestoff injiseres gjennom et rør oppstrøms for flagrende flipper. Tre tilfeller av tid er vist: (a) I begynnelsen av syklusen t = 0, (b) 40% av veien gjennom syklusen t = 0,4, og (c) etter at 80% av syklusen t = 0,8. I høyre panel (c), kan vi se en virvel som har dannet seg rundt spissen av flagrende robot flipper. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Robot flipper apparat vil tillate oss å forstå hydrodynamikk i svømming californiasjøløve. Dette inkluderer den grunnleggende trykkproduserende slag (den "klapp '), så vel som ikke-fysiske varianter som dyrestudier ikke kan undersøke. Robot flipper har blitt designet for eksperimentell allsidighet, og dermed steg 3-der flipper selv er laget-er kritisk i å få de ønskede resultater. Selv om dette apparatet er klart, bare en modell av levende system, in situ studier av californiasjøløve er ekstremt vanskelig og omfanget av mulig data er ganske begrenset.

    Mens noen ganger mulig, hastighet målinger på store akvatiske dyr er meget vanskelig (f.eks utrenede dyr, ikke-forskning grad visning glass, ingen kontroll over miljøet), og de feil som er høyere enn laboratorieforsøk 21. Videre krever de adgang til dyrene som erofte umulig å få tak i og i slike tilfeller robot plattformer som den vi bygget tillate i dybden undersøkelser. I tillegg til å kopiere den levende system så trofast som mulig, robot modeller tillater oss å endre den i urealistiske måter. For eksempel kan formen bli endret for å endre den bakre kant morfologi. Eventuelt kan teksturen av overflaten endres for å undersøke rollen av mikrostrukturen på svømme ytelse.

    Bruken av en robot plattform for å undersøke resultatene av et biologisk system gir bare et utsnitt av det system-dette er en begrensning av denne tilnærmingen. Videre isolerer denne protokollen foreflipper fra resten av sjøløve kroppen. Dermed vil resultatene ikke tilby en komplett oversikt over systemet og kroppen-flipper interaksjoner. Ytterligere begrensninger omfatter homogene egenskaper av smekk og punktet messig aktivering (i motsetning til den distribuerte aktiveringen av musculoskelatal systems). I tillegg er det materiale kompatibel og kan føre til fluid-struktur-interaksjoner som ikke er til stede i det fysiske system. Dette er minimert ved å bruke materialer som tett gjenskape den samlede biologiske egenskaper, men kan aldri være helt kontrollert for. Til tross for disse begrensningene, mye kan læres ved å sammenligne resultatene for ulike aktiveringsmodi og strømningsforhold.

    Robot flipper vil danne grunnlaget for en rik forskningsprosjekt som skal gi innsikt i de grunnleggende fysikken i en unik paradigme effektiv svømme den californiasjøløve. Plattformen er fleksibel, og hver flipper kan gjøres raskt med minimal kostnad. Dermed kan et stort parameter plass testes som nye problemstillinger oppstår.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Dragon Skin 20 Smooth-on
    Dragon Skin 20 medium Smooth-on
    Object24 Stratasys 3D printer
    Stand Mixer Hamilton
    PKS-PRO-E-10 System Anaheim Automation PKS-PRO-E-10-A-LP22 Controller and Servo Motor
    Artec Eva Artec 3D 3D light scanner with resolution of 0.1 mm
    Artec Spider Artec 3D 3D light scanner with resolution of 0.5 mm
    Steel plate Mcmaster
    Carbon Tow Fibreglast 2393-A
    Hardened Precision 440C Stainless Steel Shaft Mcmaster 6253K49
    Tygon PVC Clear Tubing Mcmaster 6546T23
    Kevlar Thread Mcmaster

    References

    1. Feldkamp, S. D. Swimming in the California sea lion: Morphometrics, drag and energetics. Journal of Experimental Biology. 131, 117-135 (1987).
    2. Godfrey, S. J. Additional observations of subaqueous locomotion in the California sea lion (zalophus californianus). Aquatic Mammals. 11, (2), 53-57 (1985).
    3. Stelle, L. L., Blake, R. W., Trites, A. W. Hydrodynamic drag in steller sea lions (eumetopias jubatus). The Journal of Experimental Biology. 203, (12), 1915-1923 (2000).
    4. Yu, J., Wang, L., Tan, M. A framework for biomimetic robot fish's design and its realization. Proceedings of the American Control Conference. 1593-1598 (2005).
    5. Friedman, C., Leftwich, M. C. The kinematics of the California sea lion foreflipper during forward swimming. Bioinspiration and Biomimetics. 9, (4), (2014).
    6. Friedman, C., Joel, B. W., Schult, A. R., Leftwich, M. C. Noninvasive 3D geometry extraction of a Sea lion foreflipper. Journal of Aero Aqua Bio-mechanisms. 4, (1), 25-31 (2015).
    7. Aguilar, J., et al. A review on locomotion robophysics: the study of movement at the intersection of robotics, soft matter and dynamical systems. Rep Prog Phys. 79, (11), 110001 (2016).
    8. Holmes, P., Koditschek, D., Guckenheimer, J. The dynamics of legged locomotion: models, analyses, and challenges. Dynamics. 48, (2), 207-304 (2006).
    9. Mazouchova, N., Umbanhowar, P. B., Goldman, D. I. Flipper-driven terrestrial locomotion of a sea turtle-inspired robot. Bioinspiration & Biomimetics. 8, (2), 026007 (2013).
    10. Hultmark, M., Leftwich, M. C., Smits, A. J. Flowfield measurements in the wake of a robotic lamprey. Experiments in fluids. 43, (5), 683-690 (2007).
    11. Ijspeert, A. J., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. M. From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model. Science. 315, (5817), 1416-1420 (2007).
    12. Buchholz, J. H., Smits, A. J. On the evolution of the wake structure produced by a low-aspect-ratio pitching panel. Journal of fluid mechanics. 546, 433-443 (2006).
    13. Lauder, G. V., Anderson, E. J., Tangorra, J., Madden, P. G. Fish biorobotics: kinematics and hydrodynamics of self-propulsion. Journal of Experimental Biology. 210, (16), 2767-2780 (2007).
    14. Leftwich, M. C., Smits, A. J. Thrust production by a mechanical swimming lamprey. Experiments in fluids. 50, (5), 1349-1355 (2011).
    15. Leftwich, M. C., Tytell, E. D., Cohen, A. H., Smits, A. J. Wake structures behind a swimming robotic lamprey with a passively flexible tail. Journal of Experimental Biology. 215, (3), 416-425 (2012).
    16. Buchholz, J. H., Smits, A. J. The wake structure and thrust performance of a rigid low-aspect-ratio pitching panel. Journal of fluid mechanics. 603, 331-365 (2008).
    17. Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Scaling the propulsive performance of heaving flexible panels. Journal of fluid mechanics. 738, 250-267 (2014).
    18. Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Flexible propulsors in ground effect. Bioinspiration & biomimetics. 9, (3), 036008 (2014).
    19. English, A. W. Functional anatomy of the hands of fur seals and sea lions. American Journal of Anatomy. 147, (1), 1-17 (1976).
    20. PRONET-E Quick Start Guide. Available from: https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf (2014).
    21. Fish, F. E., Legac, P., Williams, T. M., Wei, T. Measurement of hydrodynamic force generation by swimming dolphins using bubble DPIV. Journal of Experimental Biology. 217, (2), 252-260 (2014).

    Comments

    0 Comments

    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter