Automatic Translation

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

 JoVE Engineering

En Robotic plattform för att studera Foreflipper i Kalifornien sjölejon

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 robotplattform beskrivs som kommer att användas för att studera de hydrodynamiska prestanda-krafter och flowfields-i simning kaliforniskt sjölejon. Roboten är en modell av djurets foreflipper som manövreras av motorer för att replikera rörelsen hos dess framdrivnings stroke (den "clap ').

    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

    Kalifornien sjölejon (Zalophus californianus), är en smidig och kraftfull simmare. Till skillnad från många framgångsrika simmare (delfiner, tonfisk), de genererar merparten av sin dragkraft med sina stora foreflippers. Detta protokoll beskriver en robotplattform avsedd att studera hydrodynamiska prestanda simning Kalifornien sjölejon (Zalophus californianus). Roboten är en modell av djurets foreflipper som manövreras av motorer för att replikera rörelsen hos dess framdrivnings stroke (den "clap '). De kinematik sjölejon s framdrivnings stroke extraheras från videodata av omärkta, icke-forsknings sjölejon vid Smithsonian Zoological Park (SNZ). Dessa uppgifter utgör grunden för aktiveringsrörelsen hos robot flipper presenteras här. Geometrin hos robot flipper bygger en laser på högupplösande svep av en foreflipper av en vuxen hona sjölejon, skalas till ca 60% av den fullskaliga flipper. Den ledade modellen har tre joints, imitera armbågen, handleden och knoge leden sjölejon foreflipper. Robot plattformen matchar dynamik egenskaper-Reynolds tal och dricks hastighets av djuret vid acceleration från stillastående. Robot flipper kan användas för att bestämma prestandan (krafter och moment) och resulterande flowfields.

    Introduction

    Även forskare har undersökt de grundläggande egenskaperna hos sjölejon simning (energier, transportkostnaderna, luftmotstånd, linjär hastighet och acceleration 1-3, vi saknar information om fluiddynamik i systemet. Utan denna kunskap, begränsar vi potentiellt hög hastighet hög manövrerbarhet tekniska tillämpningar till kropps caudal fin (BCF) locomotion modeller 4. Genom att karaktärisera en annan simning paradigm, hoppas vi att utöka vårt sortiment av designverktyg, särskilt de som har potential att göra det möjligt för tystare, smygvänlig och försiktig former av simning. Således studerar vi grundläggande mekanismen för sjölejon simma genom direkt observation av kaliforniskt sjölejon och laboratorieundersökningar med hjälp av en robot sjölejon foreflipper 5,6.

    För att göra detta kommer vi att använda en ofta använd teknik för att utforska komplexa biologiska system: en robotplattform 7. Flera locomotion studier-both Walking 8,9 och simning 10 -har baserats på antingen komplexa 11 eller mycket förenklade 12 mekaniska modeller av djur. Typiskt, robot plattformar behålla kärnan i modellsystemet, samtidigt som forskare att utforska stora parameter utrymmen 13-15. Även om det inte alltid att karakterisera hela systemet, mycket är lärt sig genom dessa plattformar som isolerar en enda komponent av ett lok system. Till exempel, den grundläggande funktion ostadiga framdrivningsanordningar, som baksidan och återgående svepning av en stjärtfena under carangiform simning, har intensivt undersökt genom experimentella undersökningar av pitching och / eller böljande paneler 12,16,17,18. I detta fall kan vi isolera vissa lägen av denna komplexa rörelse på ett sätt som djurbaserade studier kan inte. De fundamentala aspekter av framdrivnings kan sedan användas i konstruktionen av fordon som inte behöver den biologiska komplexiteten evolutionen ger.

    (Zalophus californianus) exemplar. Den roboflipper påverkas för att reproducera rörelsen hos djurens härrör från tidigare studier 1. Denna robot flipper kommer att användas för att undersöka den hydrodynamiska prestanda simning sjölejon och att utforska en bredare parameterutrymme än djurförsök, särskilt de stora vattenlevande däggdjur kan ge.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Protocol

    1. Digitalisera ett exemplar av en sjölejon Foreflipper

    1. Skanna ett exemplar av en Sjölejon foreflipper.
      1. Skaffa ett exemplar av ett sjölejon flipper från en avliden person (Figur 1a).
        OBS: I vårt fall var de erhållna från Smithsonian djurpark i Washington, DC
      2. Hänga foreflipper vertikalt från sin bas (där foreflipper fäster vid djurets kropp). Detta både gör det möjligt för flipper att vara rak när skannas och exponerar hela ytan för skanning.
      3. Scan flipper med användning av en hög upplösning strukturerat ljus scanner, med en noggrannhet på ungefär 0,5 mm, och fel av approximativt 0,1 mm (figur 1b).
    2. Importera punktmolnet i CAD-program och göra det som en yta. För att göra detta, klicka på "Öppna" och välj önskad .obj fil. Klicka på "Import" för att importera filen i CAD-program.
    3. Manipulera den resulterande punktmoln med hjälp aven datorstödd konstruktion (CAD) programvara genom att klicka på "Extruderad skärning" och klippa ut köttet delen (oönskad del) av skanningen. Klicka sedan på "Skala" för att få lämplig skalning för robot flipper (68% av full storlek). Inspektera flipper för tillräckligt detaljerat fånga genom att jämföra den ursprungliga provet (Figur 2).
    4. Skapa mögel runt flipper.
      1. I en CAD-program, använder flipper ytor för att bilda en form genom att skapa en omgivande volym runt flipper ytan. Gör detta genom extrudering av ett rektangulärt block genom att klicka på "Sketch" att rita en rektangel och sedan extrudering av den till mer än höjden på flipper helt omfatta det.
      2. Klicka på "församlingen" och importera båda delarna (flipper och rektangulärt block) i arbetsområdet. Klicka på "Mate" och göra den främre och övre plan både flipper och mögel som sammanfaller. Detta ställer automatiskt flipper inuti formen.
      3. Select formen från designträdet och klicka på "Edit Part". När delen är markerad, klicka på "Infoga> Funktioner> Cavity" för att göra en hålighet i flipper inuti formen. Skissa en linje vid centrum av den rektangulära formen och klicka på "Split 'för att bilda två delar av samma form.
      4. Klicka på "Klipp del" för att skilja den omgivande volymen i två delar för enkel flipper extraktion. Sätt håligheter och pinnar på varje hälften av volymen och spara den som en del ett och två av flipper mögel (Figur 3).
      5. Konvertera ".SLDRPT" filer av formen till "STL". Importera filer till proprietär programvara för 3D-skrivare och klicka på "Skriv ut" för att generera 3D tryckta formen.

    2. Utforma benstrukturen

    1. Öppna digitala foreflipper i en CAD-program och få en bild av Sjölejon foreflipper benstruktur som referens (t.ex. FigurEn på engelska, 1977 19).
    2. Utforma tre olika delar som efterliknar benstrukturen som passar i den digitala modellen av foreflipper. Under hela detta förfarande, "bas" hänför sig till slutet av en del närmare basen av foreflipper och "spets" avser änden av delen närmare spetsen av foreflipper.
      1. bas Piece
        1. Att längden på denna pjäs proportionell mot avståndet mellan axelleden och handled Sjölejon flipper (mätningar erhålls med hjälp av måttband). Gör detta med hjälp av en CAD-program genom att klicka på "Sketch" och utforma formen av basen stycket (Figur 4).
        2. Lägg knogar i båda ändar av den del genom att klicka på "Sketch" och rita två cirklar. Klicka på 'Boss Extrude' för att extrudera den önskade längden från planet för basen stycket. Klicka på skiss av den mindre cirkeln att skära in i extrudera genom att klicka på "Cut Extrude" för att görautrymme för axeln. För att stärka denna gemensamma, klicka på "Filé" för att jämna ut skarpa lederna.
          OBS: Dimensionerna hos cirklarna beror på storleken av axeln som ska användas under montering av flipper ovanpå vattnet ränna. I vårt fall är diametern för den mindre cirkeln 0,5 inches och den större cirkeln är 1 inches. Basen slut kommer att sitta utanför flipper huden geometri, så storleken på knogarna faller inte under de begränsningar i huden.
      2. USA Piece
        1. Göra längden av detta stycke proportionell mot avståndet mellan handleden och knäledsförbandet av ett sjölejon. Gör detta genom att klicka på "Sketch" och skissa den önskade formen (som visas i figur 4b) på ett plan. När geometrin är konstruerad, klicka på "Extrude" för att få den grundläggande tredimensionella formen på mittstycket. Mata in extruderade längden som 0.1650 inches.
          OBS: Den önskade formen hos mittstycketi vårt experiment är en trapets med en höjd av 2,25 inches och längden av de två baserna som 1.625 och 0,850 inches respektive.
        2. Lägg knogar i båda ändarna. Gör det som beskrivs i steg 2.2.1.2. Diametern av den extruderade snittet är 0,125 inches. Anslut knogarna på basänden till spetsänden av basen stycke med en axel för att bilda ett gångjärn som representerar handleden.
          OBS: De knogar måste passa inuti volymen av foreflipper, så utforma i enlighet därmed.
        3. Lägg ett torn cirka 1 cm i höjd till spetsänden av stycket på båda sidor.
          1. För att lägga till ett torn, klicka på "Sketch" och skissa en rektangel på basen av modellen. Extrudera skissen genom att välja skissen och klicka på "Boss Extrude". Tjockleken av tornet i detta särskilda fall är 0,165 inches.
          2. Klicka på "filé" och välj modellen och en kant av den extruderade tornet. Detta stärker den kraftiga förband där tornet och baSO om mittstycket är anslutna. Det är ok om tornet skjuter ut från geometrin av huden. Tornet bör vara tillräckligt tjock för att motstå de krafter som alstras under en flipper klappa. Se figur 4 för referens.
      3. tip Piece
        1. Göra längden av detta stycke proportionell mot avståndet mellan knäledsförbandet och spetsen på den längsta fingret ben av ett sjölejon. Gör detta genom att klicka på "Sketch" och skissa en önskad form på ett plan. När geometrin är konstruerad, klicka på extrude för att få den grundläggande tredimensionella formen av spetsstycket.
        2. Lägg knogar i båda ändarna. Gör det som beskrivs i steg 2.2.1.2. Diametern hos den strängsprutade snittet bör vara lika med diametern på den axel, som i detta experiment är 0,125 inches. Knogarna på basänden kommer att anslutas till spetsänden av mittstycket med en axel för att bilda ett gångjärn som representerar knäledsförbandet. Geometrin hos dessa KNUckles måste passa in i geometri foreflipper hud, så utforma detta.
        3. Lägg ett torn cirka 1 cm i höjd till basänden av stycket på båda sidor. Gör detta beskrivs i steg 2.2.2.3. Tjockleken av tornet i detta särskilda fall är 0,165 inches. Det är ok om tornet skjuter ut från geometrin av huden. Tornet bör vara tillräckligt tjock för att motstå de krafter som alstras under en flipper klappa. Se figur 5 som referens.

    3. Skapa en Flipper

    1. 3D ut skelettet (bas, mitten och tipp bitar) i flipper. Konvertera ".SLDRPT" fil från CAD till "STL" och importera den till skrivarens proprietär programvara och klicka på "Skriv ut".
      OBS: Utskrifts är olika för varje skrivare.
      1. Förstärka de knogar i mitten och spetsdelen med ett lim (epoxi) och koldioxid gängor. För att göra detta, klipp carbpå trådar av längd 0,750 inches. Applicera lim på 3D tryckt benstrukturer och lägga trådarna över knogarna. Det är inte nödvändigt att förstärka de stora knogarna på basen stycket (figur 5a).
      2. Borra hål i botten av varje torn diametern hos Kevlar sträng (strängar som kommer att användas för att påverka de leder).
      3. Montera alla bendelar tillsammans från bas till spets med hjälp av axlar. Göra genom att placera alla komponenter på ett plant bord såsom visas i fig 4. För att ansluta basen och mittstycket, rikta knogarna av delarna och sätt axeln. Använda samma teknik för att ansluta i mitten och spetsdelen tillsammans. Använda ett bindemedel på varje ände av varje axel för att säkerställa att axeln inte rör sig i sidled (figur 5b).
      4. Skär plaströr till följande längd. Skära fyra rör längden av basen ben stycket (L 1 = 8 cm) och två rör längden på mittstycket (L 2 = 6 cm).
      5. Klipp 4 st Kevlar sträng, var 3 fot i längd.
      6. Skjut en sträng genom en L en tub och sedan en L2 rör. Skjut en annan sträng genom en L en tub. Upprepa processen med de återstående rören och strängar.
      7. Placera rören på toppen av benstrukturer och använda en genomskinlig tejp för att hålla dem på plats tillfälligt. Med hjälp av ett lim, hålla rören på benstrukturen och sedan ta bort banden.
        OBS: Det finns ingen specifik position i vilken rören måste placeras, är den kritiska aspekten att bara hålla fast dem på ytan av strukturen. Använd figur 5c som en riktlinje.
      8. Trär Kevlar strängen från L 1 röret och L 2 röret genom de hål som borrats på spets- och mellanstycken såsom beskrivs i steg 3.1.2. Gör en liten men säker knut när strängen är genom hålet (figur 5d).
    2. Tillsats av huden på flipper för att skapa en slutlig flipper.
      1. Mäta 200 ml SILICpå och kisel medium i två olika behållare.
      2. Häll båda dessa vätskor i en stålskål. Lägg thinner (ej överstiga 10% av vikten av den totala blandningen) till blandningen för lätt att hälla och blanda.
      3. Använd ett stativ mixer för att blanda blandningen ordentligt 3-4 min. Färg kan tillsättas vid detta steg för att uppnå de önskade visuella effekterna. Om en stand mixer är inte tillgänglig, använd en visp för att blanda det, var noga med att skrapa sidor och botten i behållaren.
      4. Sätt en stång i knogarna i bottendelen och rikta in den med knogarna i flipper mögel. När tapparna passar in i håligheterna i formen, är benstrukturen perfekt inställd i flipper formen. Medan du håller ner på de två delarna av formen, säkra delarna genom att använda en klämma för extra komprimering (detta steg är kritisk så att läcka kiselblandningen inte från gapet mellan de två delarna).
      5. När blandningen blandas försiktigt hälla den i formen tills de översta knogarnaav benstrukturen. Sipprar av vätska från det nedersta hålet i formen är ett tecken på blandningen blir likformigt fördelad. Vid början av detta, ansluter hålet för att undvika ytterligare flöde av vätskan. Låt vätskan härda under fyra timmar innan du tar bort flipper roboten från formen (se figur 6).

    4. Montering

    1. För att montera kisel foreflipper på vattnet ränna (Figur 7), skapa en monteringsstruktur. En CAD-representation av den färdiga aggregat visas. (Figur 8).
      1. Utforma en platta med en noggrant extruderad snitt med hjälp av CAD-program. Klicka på "Sketch" och rita en rektangel med dimensionerna 14 x 19 inches (höjden spelar ingen roll eftersom laserskärare använder en dwg-fil). Använd en rektangulär stålplåt som bas för att tillverka denna platta. Ladda upp en tvådimensionell ritning från CAD-program på en dator som är ansluten till en stållaserskärare för att uppnå de önskade nedskärningar.
        OBS: Thiskylten hus motorn och skurna i det möjliggör remskivan systemet ska fungera. Bredden av plattan är lika med bredden hos den vattenränna, vilket gör det lättare att glida plattan över den vattenränna. Denna typ av placering hjälper till att enkelt avlägsnande av monteringsaggregatet för att ersätta delar av eller foreflipper modellen.
      2. Fixera foreflipper och remskivan på en axel, som glider in i ett triangulärt balkförband.
        ANMÄRKNING: En tre-trissa system implementeras för att överföra vridmomentet / effekt från motorn till stången.
      3. Använd lager på båda sidor för att hjälpa stången att rotera jämnt. Att begränsa förflyttning av stången i sidled, placera axelkragar på varje ände av axeln.
    2. Ställa in rörelsen av flipper genom att välja ryckfunktionen på föraren. Genom att trycka på "Up" knappen roterar flipper medsols och "Down" knappen roterar flipper moturs. Föraren medger förändring av varv per minut av motornaxeln enligt instruktionerna i manualen 20.
    3. Sätt i rätvinkliga färgämne port i vattnet och öka trycket på färgsystemet. Justera hastigheten på färgämnet till freestream hastigheten hos vattnet så färgämnet visas som en enda slät filament. Rotera flipper så att färgämnet interagerar och fastnar med de resulterande virvlar genereras.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Det ovan beskrivna förfarandet ger en robotmodell av en California sea lion foreflipper. Modellen kan användas på två olika sätt. Ett är genom påverkan av flipper endast vid roten (Figur 6a). I detta fall, ställer drivmotorn rotationshastigheten hos den första leden, men den resulterande rörelsen av flipper bestäms av fluid-struktur interaktion mellan den flexibla flipper och det omgivande vattnet. Dessutom kan vi skapa robotic flippers som manövreras vid de två nedre lederna förutom roten (Figur 6b). Detta görs genom tornet strukturer tryckta på skelettet bitar. Kablarna som leder till tornen är anslutna till separata motorer och kan aktivt styra camber av flipper under klappa rörelse.

    Syftet med robot flipper är att utforska den hydrodynamics av drivande slag av kaliforniskt sjölejon som beskrivs i Friedman, 2014 1. Ett sätt att göra detta, kvalitativt, är genom färgämnesbaserat flöde visualisering. Robot flipper är monterad på en återcirkulerande vattnet ränna (Figur 7), med användning av den ovan beskrivna sammansättningen. Motorn och flödeshastighet, är inställda på att utforska en viss parameter utrymmes såsom Reynolds tal baserat på den flipper ackord (Re = Cu / ν där ν är den dynamiska viskositeten hos vatten) eller vinkelhastighet, ω, eller acceleration, α .

    Färgämnet visualisering visas i figur 9 använder fluorescerande färgämne injiceras strax uppströms framkanten av flipper. Färgämnet medbringas in i skjuvning skikt vid ytan av flipper och tillåter oss att visualisera virvelstruktur kölvattnet. Figur </ strong> 9a visar strömmen av färgämne som injiceras uppströms (till höger), av flipper. Störningarna som ses på den vänstra sidan av bilden är ett resultat av den föregående cykeln. Som flipper förflyttas genom injektion läge (fig 9b), lågt tryck på den övre ytan av flipper bringar färgämnet att dras runt flipper. Slutligen (figur 9c), en virvel former som den flipper rör sig helt ut ur planet. Denna konstruktion convects nedströms med medelflödet. Dessa resultat visar hur denna teknik kan användas för att kvalitativt bestämma flowfield omger ett sjölejon under framåtdrivande slaget.

    Förutom de kvalitativa mätningar av flipper vakna, kan vi använda Particle Image Velocimetry (PIV) för att mäta hastighetsfältet som omger flipper. Således kan vi erhålla kvalitativa data om den hydrodynamiskas från sjölejon simning för en mängd olika reproducerbara situationer.

    Figur 1
    Figur 1: Flipper Bottom jämförelse. En vänster foreflipper från ett prov av en kvinnlig Kalifornien sjölejon används för att bestämma robot flipper är geometriska parametrar. Den övre panelen (a) är en hög upplösning, två-dimensionell bild av den flipper. Det undre fältet (b) är en tre-dimensionell, datorstödd design rendering av flipper från laserskanningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 2
    Figur 2: Wire. Den digitala bilden av den skannade flipper behållas de geometriska särdragen hos djurets foreflipper. Den här bilden visar en wire-frame bild av den digitala flipper. Nio jämnt fördelade tvärsektioner visas i grått (varje centimeter från basen till spetsen på den foreflipper). De två isometriska vyer (tvärsnitt 1 och 7) visar att flipper har en vingliknande form, med en tjockare, rundade framkant. Flipper är bomberad, med sin övre yta mer konvex och dess inre yta konkav. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Figur 3
    Figur 3: Mold. Formen som används för att skapa den flexibla delen av robot flipper skapas från de avsökta flipper provet. Formen har två delar: en övre (lila) och en underdel (grön) som är i linje med manliga och female inlägg, respektive. Roboten skelett (figur 4) är i linje på insidan av formen innan kiselBlandningen hälles in i formen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 4
    Figur 4: skelett. Den flexibla robot flipper stöds av ett skelett som skrivs ut i tre delar: basen (a), i mitten (b) och spetsen (c). Basen och mitten och mitten och dricks, är förbundna med dymlingar genom knogar på sina leder. Detta möjliggör flexibilitet om dessa platser i den färdiga flipper. Klicka här för att se en större version av denna Figure.

    figur 5
    Figur 5: skelett Assembly. Efter utskriften av skelettdelar, är knogarna förstärkt med kol trådar (a), de är anslutna till knogarna med axlar (b), är guide-rör fäst till basen och mellanstycken (c) och Kevlar trådar är anslutna till tornen (d). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 6
    Figur 6: Robotic Flipper. Robot flipper är gjord av flexibel silikon (vit) med en inbäddad plast stödstruktur (blå). Axeln på basen roterar, efterlikna rotation vid armbågen och skuldran av djuret. Robot flipper kan vara passiva (a), där det endast aktiveras vid roten och den resulterande rörelsen är baserad på vätske struktur interaktion, eller aktiv (b) där Kevlar ledningar ansluter till knogarna ge de nödvändiga förändringarna i camber. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 7
    Figur 7: Flume. Flödes experiment genomförs i det återcirkulerande vattnet ränna vid Washington University George. Rännan har en arbetssektion av 0,60 (bredd) gånger 0,40 (djup) meter, är 10 meter lång, och kan köras vid flödeshastigheter på upp till 1 m / s. Flödet är från höger till vänster, i figuren. Robot flipper monteras med den som visas i Figu monteringre 8 till skenorna på toppen av testsektionen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Figur 8
    Figur 8: Assembly. Robot flipper är monterad på en recirkulerande vattenränna med en egen montering. Monteringen har en servomotor som är ansluten till huvudaxeln hos robot flipper (beläget vid roten av den robot flipper) genom en rem och tre remskivorna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 9
    Figur 9: Dye visualisering. Fluorescerandefärgämne injiceras genom ett rör uppströms om fladdrande flipper. Tre fall av tid visas: (a) i början av cykeln t = 0, (b) 40% av vägen genom cykeln t = 0,4, och (c) efter 80% av cykeln t = 0,8. I den högra panelen (c), kan vi se en virvel som har bildats runt spetsen av flaxande robot flipper. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Robot flipper apparaten gör det möjligt för oss att förstå de hydrodynamik i simning kaliforniskt sjölejon. Detta inkluderar grundläggande drivkraft producerande stroke (den "klappa"), såväl som icke-fysiska variationer som djurstudier inte kan undersöka. Robot flipper har utformats för experimentell mångsidighet, sålunda, steg 3-där flipper är gjord-är kritisk i att erhålla de önskade resultaten. Medan denna anordning är, uppenbarligen, bara en modell av det levande systemet, in situ-studier av California sjölejon är extremt svåra och intervallet för möjliga data är ganska begränsad.

    Medan ibland möjligt, mätningar hastighetsfält på stora vattenlevande djur är mycket svårt (t.ex. otränade djur, betygs visning glas icke-forskning, ingen kontroll över miljön), och felen är högre än laboratorieexperiment 21. Dessutom kräver de tillgång till de djur som ärofta omöjligt att få tag på och i sådana fall robot plattformar som den vi byggt möjliggöra i fördjupade undersökningar. Förutom att replikera det levande systemet så troget som möjligt, robotmodeller tillåter oss att ändra det på orealistiska sätt. Till exempel, kan formen modifieras för att förändra den bakre kanten morfologi. Eller, kan texturen hos ytan att ändras för att undersöka rollen av mikrostrukturen på simning prestanda.

    Användning av en robotplattform för att undersöka prestandan hos ett biologiskt system ger endast en partiell vy av detta system-detta är en begränsning av detta tillvägagångssätt. Dessutom isolerar detta speciella protokoll den foreflipper från resten av sjölejon kroppen. Således kommer resultaten inte har en fullständig bild av systemet och kroppsflipper interaktioner. Ytterligare begränsningar inkluderar de homogena egenskaperna hos flipper och punkt klokt aktivering (i motsats till den distribuerade manövrering av musculoskelatal systems). Dessutom är det materialet kompatibel och kan leda till fluid-struktur-interaktioner som inte är närvarande i det fysiska systemet. Detta minimeras genom att använda material som är nära efterliknar de totala biologiska egenskaper, men kan aldrig vara helt kontrolleras för. Trots dessa begränsningar, mycket kan läras genom att jämföra prestanda hos olika aktiveringslägen och flödesförhållanden.

    Robot flipper kommer att utgöra grunden för en rik forskningsprojekt som kommer att ge en inblick i de grundläggande fysik en unik paradigm effektiv swimming-California sjölejon. Plattformen är flexibel och varje flipper kan göras snabbt med minimal kostnad. Sålunda kan en stor parameterrum testas som nya frågeställningar uppstår.

    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