一种用于研究加州海狮前鳍肢的机器人平台

摘要

本文描述了一种机器人平台，该平台将用于研究加州海狮游泳时的水动力学性能——包括受力和流场。该机器人是动物前鳍肢的模型，通过电机驱动，以复制其推进冲程（“拍击”）的运动。

摘要

加州海狮（Zalophus californianus）是一种敏捷而强壮的游泳者。与许多游泳能力强的动物（如海豚、金枪鱼）不同，它们主要依靠宽大的前肢鳍状肢产生推力。本方案描述了一种用于研究加州海狮（Zalophus californianus）游泳水动力性能的机器人平台。该机器人模拟了动物的前肢鳍状肢，通过电机驱动，重现其推进划水动作（即“拍击”动作）。海狮推进划水的运动学参数源自史密森尼动物园（SNZ）中未标记、非实验用途的海狮视频数据。这些数据构成了本文所述机器人鳍状肢驱动运动的基础。机器人鳍状肢的几何结构基于对成年雌性海狮前肢鳍状肢进行高分辨率激光扫描的结果，并按全尺寸的约60%进行缩放。该关节式模型包含三个关节，分别模拟海狮前肢鳍状肢的肘部、腕部和指关节。当从静止状态开始加速时，该机器人平台能够匹配动物的动态特性——雷诺数和鳍尖速度。该机器人鳍状肢可用于测定其运动性能（力和扭矩）以及所产生的流场。

引言

尽管科学家已研究过海狮游泳的基本特征（能量学、运输成本、阻力系数、线速度和加速度^1-3），但我们对这一系统的流体动力学仍缺乏了解。由于缺乏这方面的知识，目前高速、高机动性的工程应用仅局限于身体-尾鳍（BCF）推进模式⁴。通过表征一种不同的游泳模式，我们希望扩展可用于设计的工具库，特别是那些有望实现更安静、更隐蔽游泳方式的技术。因此，我们通过直接观察加州海狮以及利用机器人海狮前肢鳍状肢在实验室中开展研究，来探究海狮游泳的基本机制^5,6。

为此，我们将采用一种常用于研究复杂生物系统的手段：机器人平台⁷。已有多个运动机制的研究——包括行走^8,9和游泳¹⁰——基于对动物的复杂¹¹或高度简化的机械模型¹²。通常，机器人平台保留了模型系统的核心特征，同时使研究人员能够探索广泛的参数空间^13-15。尽管这些平台未必能表征整个系统，但通过隔离运动系统中的单一组分，仍可获得大量信息。例如，对于非定常推进器的基本功能——如鲹科鱼类游泳时尾鳍的来回摆动——已通过实验研究摆动和/或升沉平板得到了深入探讨^12,16,17,18。在这种情况下，我们能够以动物实验无法实现的方式，分离出这种复杂运动的某些特定模式。这些推进机制的基本原理随后可被用于设计无需依赖生物进化所赋予....

方案

1. 对海狮前鳍足标本进行数字化处理

1. 扫描海狮前鳍肢标本。
   1. 从已故个体中获取海狮鳍肢标本（图1a）。
      注：在本例中，标本来源于美国华盛顿特区的史密森尼动物园。
   2. 将前鳍肢从其基部（即前鳍肢与动物身体连接处）垂直悬挂。此方式既可使鳍肢在扫描时保持平直，又能充分暴露整个表面以便扫描。
   3. 使用高分辨率结构光扫描仪对鳍肢进行扫描，扫描精度约为0.5 mm，误差约为0.1 mm（图1b）。
2. 将点云数据导入CAD软件并渲染为曲面。操作时，点击“打开”，选择所需的.obj文件，然后点击“导入”以将文件载入CAD软件中。
3. 使用计算机辅助设计（CAD）软件对生成的点云进行处理：点击“拉伸切除”，切除扫描数据中的软组织部分（非所需部分）；随后点击“缩放”，将模型按适当比例缩放至机器人鳍肢所需尺寸（全尺寸的68%）。通过与原始标本对比，检查鳍肢模型是否充分捕捉了细节（图2）。
4. 围绕鳍肢创建模具。
   1. 在CAD软件中，利用鳍肢曲面构建模具，方法是在鳍肢曲面周围创建一个包围体积。具体操作为：点击“草图”绘制一个矩形，然后将其拉伸至超过鳍肢高度，以完全包覆鳍肢。
   2. 点击“装配体”，将两个部件（鳍肢和矩形块）导入工作区域。点击“配合”，使鳍肢与模具的前平面和上平面重合，从而自动将鳍肢置于模具....

结果

上述过程可制备出一种加州海狮前鳍肢的机器人模型。该模型可通过两种不同方式使用。一种是仅在根部驱动鳍肢（图6a）。在此情况下，驱动电机设定第一关节的旋转速率，但鳍肢的实际运动由柔性鳍肢与周围水体之间的流固耦合作用决定。此外，我们还可以在根部的基础上，同时在下方两个关节处进行驱动，从而构建出可多点驱动的机器人鳍肢（图6b）。这一设计通过打印在骨骼部件上的塔状结构实现。连接至塔状结构的导线分别与独立电机相连，可在拍打运动过程中主动控制鳍肢的弯度。

机器人鳍肢的用途是研究加州海狮推进划水过程中的水动力学特性，如 Friedman 2014¹ 所述。一种定性研究方法是基于染料的流动可视化。机器人鳍肢通过上述组装方式安装在循环水槽中（图 7）。通过设定电机转速和水流速度，以探索特定的参数空间——例如基于鳍肢弦长的雷诺数（Re.......

讨论

该机械鳍装置将有助于我们理解加州海狮游泳时的水动力学特性，包括产生推力的基本划水动作（即“拍击”），以及动物实验无法研究的非物理性变化。该机械鳍的设计具有实验上的灵活性，因此第3步——即制造鳍肢本身——对于获得理想结果至关重要。尽管该装置显然只是生物系统的模型，但对加州海狮进行原位（in situ）研究极为困难，且可获取的数据范围非常有限。

尽管有时可行，但对大型水生动物进行速度场测量非常困难（例如 未经训练的动物、非研究级观察玻璃、环境条件无控制），且误差高于实验室实验²¹此外，研究这些动物通常需要直接接触活体，而这种情况往往难以实现；在这种情况下，我们所构建的这类机器人平台则能够实现深入的研究。除了尽可能真实地复制生物系统外，机器人模型还允许我们以非自然的方式对其进行改造。例如，可以修改模具以改变尾缘的形态，或者改变表面纹理，以研究微观结构对游泳性能的影响。

利用机器人平台研究生物系统的性能只能提供该系统的部分信息——这是该方法的局限性。此外，本特定方案将海狮的前鳍.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Dragon Skin 20	Smooth-on
Dragon Skin 20 中等黏度型	Smooth-on
Object24	Stratasys		3D 打印机
立式搅拌机	Hamilton
PKS-PRO-E-10 系统	Anaheim Automation	PKS-PRO-E-10-A-LP22	控制器与伺服电机
Artec Eva	Artec 3D		分辨率为 0.1 mm 的 3D 光学扫描仪
Artec Spider	Artec 3D		分辨率为 0.5 mm 的 3D 光学扫描仪
钢板	Mcmaster
碳纤维束	Fibreglast	2393-A
硬化精密 440C 不锈钢轴	Mcmaster	6253K49
Tygon PVC 透明软管	Mcmaster	6546T23
凯夫拉线	Mcmaster