Summary
פלטפורמה רובוטית מתואר כי ישמש כדי לחקור את כוחות ביצועים הידרודינמית flowfields-של אריה ים קליפורני לשחות. הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח').
Abstract
האריה הים קליפורניה (Zalophus californianus), הוא שחיין זריז וחזק. בניגוד לרבי שחיינים מוצלחים (דולפינים, טונה), שהם מייצרים ביותר של הדחף שלהם עם foreflippers הגדול שלהם. פרוטוקול זה מתאר פלטפורמה רובוטית נועד לחקור את הביצועים הידרודינמית של אריה ים קליפורני שחייה (Zalophus californianus). הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח'). קינמטיקה של השבץ הנע של אריות הימים המחולצים נתוני וידאו של אריות ים לא מסומנים, לא מחקרי בפרק הזואולוגי סמיתסוניאן (SNZ). נתונים אלה מהווים את הבסיס של תנועת actuation של הסנפיר רובוטית שהוצג כאן. הגיאומטריה של הסנפיר רובוטית מבוססת סריקת ליזר על ברזולוציה גבוהה של foreflipper של ארית ים נקבה בוגרת, לשנותם כדי כ -60% של הסנפיר בקנה מידה מלאה. יש מודל ניסח שלושה joints, מחק את המרפק, שורש כף יד מפרק המשותף של foreflipper אריות ים. הפלטפורמה הרובוטית תואמת נכסי ריינולדס דינמיקה מספר טיפ מהיר של החיה כאשר מאיצים משאר. מנופף רובוטית יכול לשמש כדי לקבוע את הביצועים (כוחות מומנטים) ו flowfields שהתקבל.
Introduction
בעוד מדענים חקרו את המאפיינים הבסיסיים של השחייה אריה הים (אנרגטיקה, עלות התחבורה, מקדם הגרר, מהירות לינארית והאצה 1-3, שחסר לנו מידע על דינמיקה של נוזלים של המערכת. ללא ידע זה, אנו מגבילים במהירות גבוהה פוטנציאל 4, יישומי הנדסה גבוה תמרון למודלי תנועת גוף, זנב סנפיר (BCF). בכך שהיא ממכנת פרדיגמה שחיה שונה, אנו מקווים להרחיב לקטלוג שלנו של כלי עיצוב, במיוחד אלה עם הפוטנציאל לאפשר שקטות, צורות stealthier של שחייה. לכן , אנחנו לומדים את מנגנון היסוד של השחייה אריות ים באמצעות תצפית ישירה של אריה ים קליפורני וחקירות במעבדה באמצעות אריה הים רובוטית foreflipper 5,6.
לשם כך, אנו נעסיק טכניקה נפוצה לחקר מערכות ביולוגיות מורכבות: פלטפורמה רובוטית 7. תנועה מספר מחקרים-בוט שעות של הליכת 8,9 ושחייה 10 -האם התבססו משני מורכבים 11 או פשוטים מאוד 12 מודלים המכאניים של חיות. בדרך כלל, פלטפורמות רובוטיות לשמר את המהות של מערכת המודל, ובמקביל לאפשר לחוקרים לחקור מקומות פרמטר גדולים 13-15. אמנם לא תמיד המאפיין את המערכת כולה, הרבה נלמד באמצעות פלטפורמות אלה המבודדים מרכיב אחד של מערכת קטר. לדוגמה, את התפקוד הבסיסי של propulsors לא יציב, כמו גב ו-ושוב גורף של סנפיר הזנב במהלך השחייה carangiform, נחקר באינטנסיביות במהלך חקירות ניסיוני של התנדנדות ו / או לוחות עולה ויורד 12,16,17,18. במקרה זה, אנחנו יכולים לבודד מצבים מסוימים של תנועה מורכבת זו בדרכי מחקרים המבוססים על בעלי חיים לא יכולים. היבטים בסיסיים אלה של נעים לאחר מכן ניתן להשתמש בעיצוב של כלי רכב אשר לא צריך את האבולוציה המורכבת הביולוגית מספקת.
"Jove_content"> במאמר זה, אנו מציגים פלטפורמה חדשנית לחקור את שלב 'לטפוח' של ארי הים דחף לייצור שבץ. רק אחת foreflipper-ה 'roboflipper'-כלולה במצע. הגיאומטריה שלה נגזרה בדיוק מסריקות ביולוגיות של ארית ים קליפורני (Zalophus californianus) דגימה. Roboflipper הוא ומונע לשכפל את ההצעה של החיות 'על סמך מחקרים קודמים 1. סנפיר רובוטית זה ישמש כדי לחקור את הביצועים הידרודינמית של האריה שחייה בים לחקור מרחב הפרמטרים רחב יותר מאשר במחקרים בבעלי חיים, במיוחד אלה של יונקים ימיים גדולים, יכול להניב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. לספרת שדוגמא אריה הים Foreflipper
- סריקת דגימה של foreflipper ארית ים.
- השג שדוגמא סנפיר אריות ים מתוך (איור 1 א) אדם שנפטר.
הערה: במקרה שלנו, הם התקבלו מפארק זואולוגי סמיתסוניאן בוושינגטון - אנכי לתלות את foreflipper מבסיסו (שבו foreflipper מצרף את הגוף של בעל החיים). זה הוא מאפשר הסנפיר להיות ישר כאשר סרק, וחושף את כל פני השטח לסריקה.
- סנפיר סריקה באמצעות סורק אור ברזולוציה גבוהה מובנים, עם דיוק של כ 0.5 מ"מ, וטעייה של כ 0.1 מ"מ (איור 1b).
- השג שדוגמא סנפיר אריות ים מתוך (איור 1 א) אדם שנפטר.
- ייבא את ענן הצבע לתוך תוכנות CAD ו לדקלם אותו כמשטח. לשם כך, לחץ על 'פתח' ובחר בקובץ .obj הרצוי. לחץ על 'יבא' כדי לייבא את הקובץ לתוך תוכנות CAD.
- לתפעל את ענן הצבע שהתקבל באמצעותתכנון בעזרת מחשב (CAD) תוכנה על ידי לחיצה על "קיצוץ Extruded 'וגזירת חלק הבשר (חלק לא רצוי) של הסריקה. לאחר מכן, לחץ על 'סולם' כדי להשיג את קנה המידה המתאימה סנפיר רובוטית (68% מגודל מלא). בדוק סנפיר עבור לכידה בפירוט מספיק על ידי השוואה כדי הדגימה המקורית (איור 2).
- צור את התבנית סביב הסנפיר.
- בעוד תוכנות CAD, השתמשו משטחי הסנפיר כדי להקים עובש על ידי יצירת נפח סביב סביב משטח הסנפיר. עושה זאת על ידי לשיחול גוש מלבן ידי לחיצה על 'סקיצה' לצייר מלבן ואז לשיחול אותו יותר מהגובה של הסנפיר להקיף אותו לחלוטין.
- הקישו על 'עצרת' ולייבא את שני החלקים (סנפיר ולחסום מלבני) לתוך שטח עבודה. הקישו על 'Mate' ולבצע את המטוס הקדמי העליון של שתי סנפיר ועובש כמו חופפות. זה מציב אוטומטית את הסנפיר בתוך התבנית.
- Sele גודלct העובש מעץ העיצוב ולחץ על 'חלק ערוך'. לאחר החלק מסומן, לחץ על 'הוספה> תכונות> חלל' לעשות חלל של הסנפיר בתוך התבנית. שרטוט קו במרכז העובש מלבני ולחץ על "פיצול" כדי ליצור שני חלקים של אותו העובש.
- הקש על 'חותך חלק' כדי להפריד בין הנפח שמסביב לשני חלקים להפקת סנפיר קל. הכנס חללי יתדות בכל מחצית מהמחזור ולשמור אותו בתור חלק אחד ושני של עובש הסנפיר (איור 3).
- המרת קבצי '.SLDRPT' של עובש '.STL'. יבוא קבצים אלה תוכנת הקניינית של מדפסת 3D ולחץ על "הדפסה" על מנת ליצור את תבנית מודפס 3D.
2. תכנן את מבנה העצם
- פתח את foreflipper הדיגיטלי בתוך תוכנות CAD ולקבל תמונה של ארית ים foreflipper מבנה עצמות לעיון (כגון דמות1 באנגלית, 1977 19).
- עיצוב שלוש חתיכות שונות המחקות את מבנה העצמות שתתאים בתוך מודל דיגיטלי של foreflipper. בכל הליך זה, 'בסיס' מתייחס לסוף חלק קרוב לבסיס של foreflipper ו 'טיפ' מתייחס לסוף החלק הקרוב יותר אל קצה foreflipper.
- Piece Base
- הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין מפרק הכתף ואת פרק כף היד של סנפיר אריה ים (מדידות מתקבלים באמצעות סרט מדידה). לעשות זאת באמצעות תוכנות CAD ידי לחיצה על 'סקיצה' וייצוב שצורת כתבת הבסיס (איור 4).
- להוסיף פרקים בשני קצותיו של חלק על ידי לחיצה על 'סקיצה' וציור שני עיגולים. הקש על 'הבוס Extrude' כדי למתוח את האורך הרצוי מהמטוס של יצירת הבסיס. הקש על הסקיצה של המעגל הקטן לחתוך לתוך extrude ידי לחיצה על 'גזור Extrude' לעשותמקום הפיר. כדי לחזק משותפת זו, לחץ על 'פילה' להחליק את המפרקים החדים.
הערה: הממדים של החוגים תלוי בגודל של הפיר לשמש במהלך הרכבת הסנפיר על גבי מתעל המים. במקרה שלנו, הקוטר של המעגל הקטן הוא 0.5 אינץ 'ואת המעגל הגדול יותר הוא 1 סנטימטר. סוף הבסיס יישב מחוץ גיאומטרית עור סנפיר, כך הגודל של הפארקים אינו נופל תחת האילוצים של העור.
- Piece התיכון
- הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין מפרק כף-יד ואת משותף המפרק של אריה ים. עושים זאת על ידי לחיצה על 'סקיצה' ולשרטט את הצורה הרצויה (כפי שמוצג איור 4) על מטוס. לאחר הגיאומטריה נועדה, לחץ על 'Extrude' כדי לקבל את הצורה התל-ממדי הבסיסי של היצירה באמצע. הזן את האורך המעוקם כמו 0.1650 אינץ '.
הערה: את הצורה הרצויה של היצירה באמצעבניסוי שלנו הוא טרפז עם גובה של 2.25 אינץ 'ואורך של שני הבסיסים כמו 1.625 ו 0.850 אינץ' בהתאמה. - להוסיף פרקים בשני הקצוות. האם זה כמתואר בשלב 2.2.1.2. הקוטר של החתך שהחול הוא 0.125 אינץ '. חבר את הפארקים בקצה הבסיס עד הסוף קצה חתיכת הבסיס עם אקסל לגבש ציר המייצג את מפרק הכף-היד.
הערה: הפרק צריך להתאים בתוך הנפח של foreflipper, כך לעצב בהתאם. - הוספת מגדל כ 1 סנטימטר גובה עד הסוף קצה החתיכה משני הצדדים.
- כדי להוסיף מגדל, לחץ על 'סקיצה' ולשרטט מלבן על בסיס המודל. Extrude את הסקיצה על ידי בחירת סקיצה ולחיצה על "בוס Extrude '. העובי של המגדל במקרה המסוים הזה הוא 0.165 אינץ '.
- הקש על 'פילה' ובחר את מודל קצה אחד של המגדל המעוקם. זה מחזק את משותפת חדה שבו המגדל לבין base של היצירה באמצע מחוברים. זה בסדר אם המגדל שבולט מן הגיאומטריה של העור. המגדל צריך להיות עבה מספיק כדי לעמוד הכוחות שנוצרו במהלך טפיחת סנפיר. ראה איור 4 לעיון.
- הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין מפרק כף-יד ואת משותף המפרק של אריה ים. עושים זאת על ידי לחיצה על 'סקיצה' ולשרטט את הצורה הרצויה (כפי שמוצג איור 4) על מטוס. לאחר הגיאומטריה נועדה, לחץ על 'Extrude' כדי לקבל את הצורה התל-ממדי הבסיסי של היצירה באמצע. הזן את האורך המעוקם כמו 0.1650 אינץ '.
- Piece טיפ
- הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין המפרק המפרק ואת קצה עצם אצבע הארוך של אריה ים. עושה זאת על ידי לחיצה על 'סקיצה' ו ומשרטטת צורה רצויה על מטוס. לאחר הגיאומטריה נועדה, לחץ על extrude כדי לקבל את הצורה התל-ממדי הבסיסי של יצירת הקצה.
- להוסיף פרקים בשני הקצוות. האם זה כמתואר בשלב 2.2.1.2. הקוטר של החתך המעוקם צריך להיות שווה לקוטר של הציר, אשר בניסוי הזה הוא 0.125 אינץ '. פרקי האצבעות על קצה הבסיס יחוברו עד הסוף קצה החתיכה באמצע עם ציר לגבש ציר מייצג המפרק המפרק. הגיאומטריה של KNU אלהckles צריך להתאים בתוך הגיאומטריה של העור foreflipper, כך לעצב בהתאם.
- הוספת מגדל כ 1 סנטימטר גובה עד סוף הבסיס של יצירה על שני הצדדים. האם זה המתואר בשלב 2.2.2.3. העובי של המגדל במקרה המסוים הזה הוא 0.165 אינץ '. זה בסדר אם המגדל שבולט מן הגיאומטריה של העור. המגדל צריך להיות עבה מספיק כדי לעמוד הכוחות שנוצרו במהלך טפיחת סנפיר. ראה איור 5 לעיון.
- Piece Base
3. יצירת פליפר
- 3D להדפיס את השלד (בסיס, חתיכות בינוניות קצה) של הסנפיר. המרת קובץ '.SLDRPT' מ- CAD כדי '.STL' ולייבא אותו לתוך התוכנה הקניינית של המדפסת ולחץ על 'הדפסה'.
הערה: הנחיות ההדפסה שונות עבור כל מדפסת.- לחזק את פרקי היצירה הבינונית טיפ עם דבק (אפוקסי) וחוטי פחמן. כדי לעשות זאת, לחתוך פחמימותעל האשכולות של 0.750 אינץ 'אורך. החל דבק על מבנה העצמות מודפס 3D ולהניח את האשכולות על פרקי. אין זה הכרחי כדי לחזק את המפרק הגדול על פיסת הבסיס (איור 5 א).
- לקדוח חורים בתחתית כל מגדל הקוטר של המחרוזת Kevlar (מחרוזות אשר ישמשו כדי להניע את המפרקים).
- להרכיב את כל החלקים יחד העצם מבסיס להטות באמצעות סרנים. עושים זאת על ידי הצבת כל הרכיבים על שולחן שטוח כפי שמוצג באיור 4. כדי לחבר את בסיס החתיכה באמצע, ליישר את הפארקים של החלקים והכניסו את הציר. השתמש באותה טכניקה כדי להתחבר באמצע ואת פיסת עצה יחד. השתמש דבק בכל קצה של כל ציר כדי להבטיח את הציר לא זז רוחבי (איור 5 ב).
- חותך צינורות פלסטיק באורך הבא. חותכים ארבעה צינורות באורך של היצירה עצם הבסיס (L 1 = 8 ס"מ) ושני צינורות באורך של היצירה באמצע (L 2 = 6 ס"מ).
- חותכים 4 חתיכות של קאבמחרוזת Lar, כל 3 מטרים אורך.
- חלק מייתר אחד דרך צינור L 1 ולאחר מכן צינור L 2. מפולת בוץ נוספת מחרוזת באמצעות צינור L 1. חוזרים על הפעולה עם הצינורות ומחרוזות הנותרים.
- מניח את הצינורות על גבי מבנה העצמות ולהשתמש קלטת ברורה להחזיקם במצב זמני. באמצעות דבק, מקל הצינורות על מבנה העצם ולאחר מכן להסיר את הקלטות.
הערה: אין עמדה ספציפית בם הצינורות צריכים להיות ממוקמים, ההיבט הקריטי הוא פשוט לתקוע אותם על פני השטח של המבנה. השתמש 5c איור כקו מנחה. - השחל את מחרוזת Kevlar מהצינור L 1 צינור L 2 דרך חורים שנקדחו על חתיכות קצה באמצע כמתואר בשלב 3.1.2. הפוך קשר קטן אבל בטוח ברגע שראה את השרשרת הוא דרך החור (5D האיור).
- הוספת העור של הסנפיר ליצור סנפיר סופי.
- מדוד 200 מ"ל של silicעל ובינוניים סיליקון בשני מיכלים שונים.
- יוצקים הם נוזלים אלה לתוך קערת פלדה. להוסיף מדלל צבע (שלא יעלו על 10% מהמשקל של התערובת הכוללת) לתערובת עבור קל לשפוך ולערבב.
- במיקסר עמדה לערבב את התערובת היטב במשך 3 - 4 דקות. צבע ניתן להוסיף בשלב זה להשיג את האפקטים החזותיים הרצוי. אם מיקסר עמדה אינו זמין, השתמש להקציף לערבב אותו, מקפיד לגרד את הצדדים ואת התחתון של המכל.
- הכנס מוט לתוך המפרקים של חלק הבסיס ויישרת אותו במפרקי האצבעות של עובש הסנפיר. כאשר יתדות להתאים לתוך החללים של עובש, מבנה העצמות מיושר באופן מושלם את התבנית סנפיר. תוך כדי לחיצה ממושכת על שני חלקים של עובש, לאבטח את החלקים באמצעות מהדק לדחיסה הוסיפה (שלב זה הוא קריטי, כך שתערובת סיליקון לא לדלוף מן הפער בין שני החלקים).
- לאחר התערובת היא מעורבת, בזהירות לשפוך אותו העובש עד הפרק העליוןשל מבנה העצם. והנזילה נוזלת מהחור התחתון של העובש היא סמן את התערובת מקבל מפוזרים באופן אחיד. באותה ההתקפה של זה, לסתום את החור, כדי למנוע זרימה נוספת של הנוזל. השאר את הנוזל לרפא במשך ארבע שעות לפני הסרת רובוט הסנפיר מהתבנית (ראה איור 6).
שמה 4.
- כדי לעלות על סיליקון foreflipper על מתעל מים (איור 7), ליצור מבנה הרכבה. ייצוג CAD של האסיפה המוגמרת הוצג. (איור 8).
- עיצוב צלחת עם חתך באמצעות תוכנות CAD מעוקם בזהירות. הקישו על 'סקיצה' וצייר מלבן של ממדים 14 x 19 אינץ '(גובה לא משנה כמו חיתוך בלייזר נעשה שימוש בקובץ .dwg). השתמש לוח מרובע של פלדה כבסיס לייצור צלחת זו. העלה ציור דו ממדים מתוכנת CAD במחשב מחובר חותך ליזר פלדה להשיג הקיצוצים הרצויים.
הערה: תיצלחת של בתים המנועים ואת הקיצוץ הוא מאפשר מערכת הגלגלת לעבוד. רוחבו של הצלחת הוא שווה לרוחב של מתעל המים, ובכך להקל כדי להחליק את הצלחת על המתעל. סוג זה של מיקומים עוזר בסילוק קל של הרכבת ההרכבה להחליף חלקים או מודל foreflipper. - תקן את foreflipper ואת הגלגלת על פיר, אשר מחליקה לתוך מסבך משולש.
הערה: מערכת תלת-גלגלת מיושמת להעביר את מומנט / כוח מהמנוע למוט. - השתמש מסב צידיו כדי לעזור המוט כדי לסובב בצורה חלקה. כדי להגביל את חופש התנועה של מוט בכיוון לרוחב, הנח צווארונים פירים בכל קצה של הפיר.
- עיצוב צלחת עם חתך באמצעות תוכנות CAD מעוקם בזהירות. הקישו על 'סקיצה' וצייר מלבן של ממדים 14 x 19 אינץ '(גובה לא משנה כמו חיתוך בלייזר נעשה שימוש בקובץ .dwg). השתמש לוח מרובע של פלדה כבסיס לייצור צלחת זו. העלה ציור דו ממדים מתוכנת CAD במחשב מחובר חותך ליזר פלדה להשיג הקיצוצים הרצויים.
- הגדר את ההצעה של סנפיר על ידי בחירת הפונקציה ריצה על הנהג. לחיצה על כפתור'למעלה' מסתובבת עם כיוון שעון סנפיר והלחצן 'Down' מסובב את נגד כיוון שעון הסנפיר. הנהג מאפשר לשנות את הסיבובים לדקה של המנועפיר בהתאם להוראות ב -20 הידניים.
- הכנס את היציאה לצבוע ישר זווית במים להגביר את הלחץ על מערכת הצבע. כוון את המהירות של הצבע למהירות freestream של המים כך לצבוע מופיע בתור נימה חלקה אחת. סובב את הסנפיר כדי לצבוע אינטראקציה ו נלכד עם המערבולות וכתוצאה מכך שנוצרו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התהליך המתואר מניב מודל רובוטי של foreflipper אריה ים קליפורני. המודל יכול לשמש בשתי דרכים שונות. האחת היא על ידי מפעיל הסנפיר רק בשורש (איור 6 א). במקרה זה, מנוע הנהיגה מגדיר את קצב הסיבוב של המפרק הראשון, אבל ההצעה וכתוצאה מכך של הסנפיר נקבעת על ידי האינטראקציה הנוזלת-המבנה בין הסנפיר הגמיש המים שמסביב. בנוסף, אנחנו יכולים ליצור סנפירים רובוטית כי הם מופעלים על שני מפרקים נמוכים בנוסף השורש (6 ב האיור). הדבר נעשה באמצעות מבני המגדל מודפסים על חתיכות השלד. חוטים המחוברים המגדלים מחוברים להפריד מנועים ויכול לשלוט קמור פעיל של סנפיר במהלך תנועה ומחיאות כפיים.
מטרת סנפיר רובוטית היא לחקור את hydrodynamics של השבץ הנע של ארית הים קליפורני כמתואר פרידמן 2014 1. אחת הדרכים לעשות זאת, מבחינה איכותית, היא באמצעות ויזואליזציה זרימה מבוססת לצבוע. מנופף רובוטית הוא רכוב על מתעל מים הסירקולציה מחודשים (איור 7), באמצעות ההרכבה שתוארה לעיל. מהירות המנוע וזרימה, נקבעים לחקור פרמטר נתון-כגון שטח כמו מספר ריינולדס מבוסס על אקורד סנפיר (Re = Cu / ν שבו ν הוא צמיגות דינמית של מים) או המהירות הזוויתית, ω, או האצה, α .
להדמיה לצבוע שמוצג באיור 9 משתמש פלורסנט לצבוע מוזרק רק נגד הזרם של הקצה הקדמי של סנפיר. צבען הוא נגרר לתוך שכבת הגזירה על פני השטח של הסנפיר ומאפשר לנו לחזות מבנה המערבולת של השרות. איור </ strong> 9 א מראה את הזרם של צבע שהוזרק במעלה זרם (ימינה), של הסנפיר. המהומות לראות בצד שמאל של התמונה הם תוצאה של המחזור הקודם. כמו הסנפיר עבר דרך מיקום ההזרקה (9b איור), בלחץ נמוך על פני השטח העליונים של הסנפיר גורם לצבוע להיות משך סביב הסנפיר. לבסוף, (ג 9 איור), צורות מערבולת כמו הסנפיר נעו באופן מלא אל מחוץ למטוס. convects מבנה זה במורד הזרם עם הזרם הממוצע. תוצאות אלו מראות כיצד טכניקה זו ניתן להשתמש כדי לקבוע את איכותית flowfield שמסביב אריה ים במהלך השבץ הנע.
בנוסף המדידות האיכותיות של בעקבות הסנפיר, אנו יכולים להשתמש velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) כדי למדוד את השדה המהיר סביב הסנפיר. לפיכך, אנו יכולים לקבל מידע איכותי על הידרודינמיתהים של שחי אריות ים עבור מגוון רחב של מצבים לשחזור.
איור 1: השוואה בין תחתית פליפר. Foreflipper שמאל מתוך דגימה של ארית ים נקבת קליפורניה משמש לקביעת הפרמטרים הגיאומטריים של הסנפיר רובוטית. הפנל העליון (א) הוא ברזולוציה גבוהה, תמונה דו-ממדית של הסנפיר. הפנל התחתון (ב) הנו בניית עיצוב תלת ממדים, בעזרת מחשב של הסנפיר מן סריקת הליזר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: חוט. התמונה הדיגיטלית של הסנפיר הסרוק לשמרזה התכונות הגיאומטריות של foreflipper החיה. תמונה זו מראה נוף במסגרת תיל של הסנפיר הדיגיטלי. תשעה חתכים במרווחים שווים מוצגים אפור (כל סנטימטר מהבסיס אל קצה foreflipper). שתי עמדות איזומטרי (החתך 1 ו -7) מראות כי הסנפיר הוא בעל צורת כנף דמוי, עם עבה, מעוגלות קצה מוביל. המנופף הוא מקושת, עם המשטח העליון שלה יותר קמור והקעור המשטח הפנימי שלה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: עובש. העובש השתמש כדי ליצור את החלק הגמיש של סנפיר רובוטית נוצר מן דגימת סנפיר סרק. העובש יש שני חלקים: עליון (סגולים) וקטע נמוך (ירוק) העולות בקנה אחד עם זכר femהודעות אייל, בהתאמה. שלד הרובוט (איור 4) מיושר בתוך התבנית לפני תערובת סיליקון היא שפכה לתוך התבנית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: שלד. מנופף רובוטית הגמיש נתמך על ידי שלד מודפס בשלושה חלקים: הבסיס (א), באמצע (ב) ו- הקצה (ג). הבסיס ו באמצע, ואת באמצע הקצה, מחוברים באמצעות פינים מבעד לפארקים לעבר הפרקים שלהם. דבר זה מאפשר גמישות לגבי כל אותם מקומות של סנפיר הושלמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של figu זהמִחָדָשׁ.
איור 5: שלד עצרת. לאחר הדפסה, חלקי השלד, המפרקים מתחזקים בחוטי פחמן (א), הם מחוברים בפרקי האצבעות עם axels (ב), תמרור צינורות הם מודבקים לבסיס והחתיכות באמצע (ג) וחוטי Kevlar מחוברים המגדלים (ד). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: פליפר רובוטית. מנופף רובוטית עשוי סיליקון גמיש (לבנה) עם מבנה התומך פלסטיק מוטבע (כחולה). הפיר בבית מסתובב הבסיס, מחק את רוטהtion במרפק ובכתף של החיה. מנופף רובוטית יכול להיות פסיבי (א), שם הוא ומונע רק בשורש והבקשה וכתוצאה מבוססת של אינטראקציות נוזלות-מבנה, או פעיל (ב) שבו חוטי Kevlar להתחבר הפארקים לספק את השינויים הנדרשים קמור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7: מתעל. ניסויים זרימה נערכות מתעל מים הסירקולציה המחודשת באוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון. המתעל יש קטע עבודה של 0.60 (רוחב) על ידי 0.40 (עומק) מטרים, הוא 10 מטר, והוא יכול לרוץ במהירויות זרימה של עד 1 מ '/ s. זרימה היא מימין לשמאל, באיור. מנופף רובוטית מותקן באמצעות ההרכבה שמוצגת figuמחדש 8 עד הפסים בחלק העליון של סעיף הבדיקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8: עצרת. מנופף רובוטית הוא רכוב על מתעל הסירקולציה מחודש עם הרכבה מותאמת אישית. ההרכבה מחזיקה סרוו שמחובר לציר המרכזי של סנפיר רובוטית (ממוקם בשורש של סנפיר רובוטית) באמצעות חגורה ושלוש גלגלות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 9: לצבוע ויזואליזציה. פלורסנטצבע מוזרק דרך צינור זרם של הסנפיר מתנפנף. שלושה מקרים של זמן מוצגים: (א) תחילתו של t המחזור = 0, (ב) 40% בדרך דרך t המחזור = 0.4, ו- (ג) לאחר 80% של t המחזור = 0.8. בלוח הימני (ג), אנו יכולים לראות מערבולת שנוצרה סביב קצה הסנפיר רובוטית מתנפנף. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מנגנון הסנפיר רובוטית יאפשר לנו להבין את הידרודינמיקה של ארית הים קליפורני לשחות. זה כולל את השבץ לייצר דחף בסיסי (ה 'לטפוח'), וכן וריאציות שאינם פיזיים כי מחקרים בבעלי חיים לא יכולים לחקור. מנופף רובוטית תוכנן עבור צדדיות ניסיון, ובכך, שלב 3-שבו הסנפיר עצמו עשוי-הוא קריטי בהשגת התוצאות הרצויות. בעוד מנגנון זה, בבירור, רק דגם של מערכת החיה, במחקרים באתרו של ארית הים קליפורני הם מאוד קשים ואת המגוון של נתונים אפשריים מוגבל למדי.
אמנם לפעמים אפשריות, מדידות שדה מהיר על בעלי חיים ימיים גדולים מאוד קשות (למשל חיות מאומנות, זכוכית צפיית כיתה לא מחקרית, אין שליטה על הסביבה), ואת השגיאות גבוהות יותר מאשר ניסויי מעבדת 21. יתר על כן, הם דורשים גישת החיות הןלעתים קרובות ניתן לקבל ובמקרים כאלה פלטפורמות רובוטיות כמו אחד בנינו לאפשר בחקירות עומק. בנוסף משכפל את מערכת החיה בצורה המהימנה ביותר אפשרי, מודלים רובוטית מאפשרים לנו לשנות אותה בדרכים לא מציאותיות. לדוגמה, עובש יכול להיות שונה כדי לשנות את המורפולוגיה נגרר לקצה. או, את המרקם של פני השטח ניתן לשנות לחקור את התפקיד של מיקרו על ביצועי שחייה.
שימוש פלטפורמה רובוטית לחקור את הביצועים של מערכת ביולוגית נותן רק נוף חלקי של אותה המערכת-זוהי מגבלה של גישה זו. יתר על כן, פרוטוקול מסוים זה מבודד את foreflipper משאר גוף אריות ים. לפיכך, התוצאות לא תצענה תצוגה מלאה של המערכת ואת האינטראקציות-סנפיר גוף. מגבלות נוספות כוללות את המאפיינים הומוגנית של actuation החכם הסנפיר והנקודה (בניגוד להפעלה ללא ממוינות sys musculoskelatalמערכות). בנוסף, החומר כי הוא תואם ויכול להוביל נוזל-מבנה-אינטראקציות שאינן קיימים במערכת הפיזית. זה ממוזער על ידי שימוש בחומרים כי מקרוב לשכפל את התכונות הביולוגיות הכוללת, אבל אף פעם לא יכול להיות נשלט לחלוטין על. למרות המגבלות הללו, אפשר ללמוד הרבה על ידי השוואת הביצועים של מצבי הפעלת תנאי זרימה שונים.
מנופף רובוטית יהווה את הבסיס של פרויקט מחקר עשיר שיספק תובנות לגבי הפיזיקה הבסיסית של פרדיגמה ייחודית של ברכה היעילה ארית הים קליפורני. הפלטפורמה היא גמישה, וכל סנפיר יכול להתבצע במהירות עם עלות מינימאלית. לכן, מרחב פרמטר גדול יכול להיבדק כשאלות מחקר חדשות להתעורר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Feldkamp, S. D. Swimming in the California sea lion: Morphometrics, drag and energetics. Journal of Experimental Biology. 131, 117-135 (1987).
- Godfrey, S. J. Additional observations of subaqueous locomotion in the California sea lion (zalophus californianus). Aquatic Mammals. 11 (2), 53-57 (1985).
- 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).
- 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).
- Friedman, C., Leftwich, M. C. The kinematics of the California sea lion foreflipper during forward swimming. Bioinspiration and Biomimetics. 9 (4), (2014).
- 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).
- 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).
- Holmes, P., Koditschek, D., Guckenheimer, J. The dynamics of legged locomotion: models, analyses, and challenges. Dynamics. 48 (2), 207-304 (2006).
- Mazouchova, N., Umbanhowar, P. B., Goldman, D. I. Flipper-driven terrestrial locomotion of a sea turtle-inspired robot. Bioinspiration & Biomimetics. 8 (2), 026007 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Leftwich, M. C., Smits, A. J. Thrust production by a mechanical swimming lamprey. Experiments in fluids. 50 (5), 1349-1355 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Flexible propulsors in ground effect. Bioinspiration & biomimetics. 9 (3), 036008 (2014).
- English, A. W. Functional anatomy of the hands of fur seals and sea lions. American Journal of Anatomy. 147 (1), 1-17 (1976).
- PRONET-E Quick Start Guide. , Available from: https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf (2014).
- 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).
