Summary
يوصف منصة الروبوتية التي سيتم استخدامها لدراسة الهيدروديناميكية الأداء القوى وflowfields للسباحة كاليفورنيا أسد البحر. الروبوت هو نموذج للforeflipper الحيوان التي دفعتها من المحركات لتكرار الحركة من السكتة الدماغية الدافعة لها ( "التصفيق").
Abstract
أسد البحر كاليفورنيا (Zalophus californianus)، هو السباح رشيقة وقوية. على عكس العديد من السباحين الناجحة (الدلافين، والتونة)، التي تولد أكثر من حاجتهم مع foreflippers الكبيرة. يصف هذا البروتوكول منصة الروبوتية صممت لدراسة أداء الهيدروديناميكية للسباحة كاليفورنيا أسد البحر (Zalophus californianus). الروبوت هو نموذج للforeflipper الحيوان التي دفعتها من المحركات لتكرار الحركة من السكتة الدماغية الدافعة لها ( "التصفيق"). يتم استخراج الكينماتيكا من السكتة الدماغية الدافعة للأسد البحر من بيانات الفيديو من تحمل علامات وأسود البحر غير بحثية في حديقة حيوان سميثسونيان (SNZ). وتشكل هذه البيانات الأساس للحركة يشتغل من زعنفة الروبوتية المقدمة هنا. الهندسة للزعنفة الروبوتية يستند المسح بالليزر على عالية الدقة من foreflipper شخص بالغ الأسد الإناث البحر، تدرج إلى حوالي 60٪ من زعنفة واسعة النطاق. نموذج مفصلية ثلاثة يoints، ومحاكاة الكوع والرسغ ومفصل مفصل من foreflipper أسد البحر. منصة روبوتية مباريات خصائص رينولدز ديناميات عدد وغيض السرعة للحيوان عند التسارع من السكون. وزعنفة الروبوتية يمكن استخدامها لتحديد أداء (قوى وعزم الدوران) والناتجة flowfields.
Introduction
في حين أن العلماء حققت الخصائص الأساسية للبحر للسباحة الأسد (علم الطاقة، وتكاليف النقل، ومعامل السحب والسرعة الخطية و1-3 التسارع، وأننا نفتقر إلى المعلومات حول ديناميات الموائع للنظام، وبدون هذه المعرفة، ونحن لحد المحتملة عالية السرعة والتطبيقات الهندسية العالية على المناورة لزعنفة الأحيائي نماذج تحرك الجسم الذيلية (4). وبحلول تميز نموذج السباحة المختلفة، ونحن نأمل في توسيع موقعنا التسويقي من أدوات التصميم، وتحديدا أولئك الذين لديهم القدرة على تمكين أكثر هدوءا، أشكال التخفي السباحة. وهكذا ، نقوم بدراسة آلية أساسية من السباحة أسد البحر من خلال الملاحظة المباشرة للأسد البحر كاليفورنيا والفحوص المختبرية باستخدام أسد البحر الروبوتية foreflipper 5،6.
للقيام بذلك، ونحن سوف تستخدم تقنية تستخدم عادة لاستكشاف النظم البيولوجية المعقدة: منصة روبوتية 7. عدة تنقل دراسات بوت ح من المشي والسباحة 8،9 10 -have تم على أساس إما المعقدة 11 أو مبسطة للغاية 12 النماذج الميكانيكية للحيوانات. عادة، ومنصات الروبوتية تحتفظ جوهر النظام النموذجي، في حين يسمح للباحثين لاستكشاف مساحات كبيرة المعلمة 13-15. في حين لم يكن دائما تميز النظام بأكمله، والكثير وتعلمت من خلال هذه المنابر أن عزل مكون واحد من الجهاز الحركي. على سبيل المثال، عمل أساسي من propulsors متقلب، مثل ذهابا وإيابا تجتاح من الزعنفة الذيلية أثناء السباحة carangiform، وقد تم اكتشاف مكثف من خلال التحقيقات التجريبية من نصب و / أو لوحات الرفع 12،16،17،18. في هذه الحالة، يمكننا عزل وسائط معينة من هذه الحركة المعقدة بطرق أن الدراسات الحيوانية لا يمكن. ويمكن بعد ذلك تلك الجوانب الأساسية للدفع استخدامها في تصميم المركبات التي لا تحتاج يوفر تطور التعقيد البيولوجي.
"jove_content"> في هذه الورقة، نقدم منصة جديدة لاستكشاف "التصفيق" مرحلة من أسد البحر التوجه المنتجة للالسكتة الدماغية. و-foreflipper "roboflipper'-يتم تضمين فقط واحد في المنصة. ويستمد هندسته بالضبط من المسح البيولوجية للأسد البحر كاليفورنيا (Zalophus californianus) عينة. ودفعتها للroboflipper لتكرار حركة الحيوانات المستمدة من الدراسات السابقة 1. وسوف تستخدم هذه زعنفة الروبوتية للتحقيق في أداء الهيدروديناميكية للأسد البحر للسباحة واستكشاف الفضاء المعلمة أوسع من الدراسات على الحيوانات، ولا سيما من الثدييات المائية الكبيرة، يمكن أن تسفر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. رقمنة عينة من أسد البحر Foreflipper
- مسح عينة من الأسد foreflipper البحر.
- الحصول على عينة من زعنفة أسد البحر من شخص متوفى (الشكل 1A).
ملاحظة: في حالتنا، تم الحصول عليها من حديقة حيوان سميثسونيان في واشنطن العاصمة - يتعطل foreflipper عموديا من قاعدة (حيث تعلق foreflipper إلى جسم الحيوان). هذا كل من يسمح للزعنفة أن يكون مستقيما عند فحصها، ويعرض كامل سطح للمسح الضوئي.
- زعنفة المسح الضوئي باستخدام عالية الدقة منظم الماسح الضوئي خفيفة، مع دقة حوالي 0.5 ملم، والخطأ ما يقرب من 0.1 مم (الشكل 1B).
- الحصول على عينة من زعنفة أسد البحر من شخص متوفى (الشكل 1A).
- استيراد سحابة نقطة في برنامج CAD وجعله بمثابة السطح. للقيام بذلك، انقر فوق 'فتح' وحدد الملف .OBJ المطلوب. انقر على "استيراد" لاستيراد الملف إلى برنامج CAD.
- التعامل مع سحابة نقطة الناتجة باستخدامتصميم (CAD) البرمجيات بمساعدة الكمبيوتر عن طريق النقر على 'قطع مقذوف "والاستغناء عن الجزء اللحمي (جزء غير مرغوب فيه) الفحص. بعد ذلك، انقر على 'مقياس "للحصول على القياس المناسب للزعنفة الروبوتية (68٪ من الحجم الكامل). تفقد عوامة لالتقاط تفاصيل كافية عن طريق مقارنة مع العينة الأصلية (الشكل 2).
- إنشاء القالب حول زعنفة.
- في برنامج CAD، استخدام السطوح زعنفة لتشكيل قالب من إنشاء وحدة تخزين المحيطة حول سطح عوامة. القيام بذلك عن طريق قذف كتلة مستطيلة من خلال النقر على "رسم" لرسم مستطيل ثم قذف لأكثر من ذروة عوامة ليشمل تماما.
- انقر على "الجمعية" واستيراد كل من أجزاء (عوامة وكتلة مستطيلة) في مجال العمل. انقر على "ماتي" وجعل الجبهة وأعلى مستوى من كل من زعنفة والعفن كما تتزامن. هذا يضع تلقائيا عوامة داخل القالب.
- سيليط م القالب من شجرة التصميم وانقر فوق "تحرير الجزء. مرة واحدة يتم تحديد الجزء، انقر على 'إدراج> تحقيقات> تجويف "لإجراء تجويف عوامة داخل القالب. رسم خط في وسط قالب مستطيل وانقر على "تقسيم" لتشكيل جزأين من نفس القالب.
- انقر على "قطع الجزء" للفصل بين حجم المحيطة إلى قسمين لاستخراج زعنفة سهلا. إدراج تجاويف وأوتاد في كل شوط من حجم وحفظه كجزء واحد واثنين من العفن زعنفة (الشكل 3).
- تحويل ملفات ".SLDRPT" من العفن إلى '. STL. استيراد هذه الملفات إلى البرمجيات الاحتكارية للطابعة 3D وانقر على "طباعة" لتوليد العفن 3D المطبوعة.
2. تصميم هيكل العظام
- فتح foreflipper الرقمية في برنامج CAD والحصول على صورة أسد البحر foreflipper الهيكل العظمي للرجوع إليها (مثل الشكل1 في اللغة الإنجليزية، 1977 19).
- تصميم ثلاث قطع مختلفة التي تحاكي بنية العظام التي من شأنها أن تناسب داخل النموذج الرقمي للforeflipper. طوال هذا الإجراء، تشير 'القاعدة' إلى نهاية جزء أقرب إلى قاعدة foreflipper و "طرف" يشير إلى نهاية الجزء أقرب إلى غيض من foreflipper.
- قطعة الأساس
- جعل طول هذه القطعة يتناسب مع المسافة بين مفصل الكتف والمعصم من زعنفة أسد البحر (القياسات والحصول عليها باستخدام شريط القياس). القيام بذلك باستخدام برنامج CAD من خلال النقر على "رسم" وتصميم على شكل قطعة قاعدة (الشكل 4).
- إضافة المفاصل على طرفي الجزء عن طريق النقر على 'رسم' ورسم دائرتين. انقر على 'بوس قذف "لإنتاج الطول المطلوب من الطائرة من قطعة القاعدة. انقر على رسم دائرة صغيرة لقطع في قذف عن طريق النقر على 'قطع قذف "لجعلغرفة للرمح. لتعزيز هذا المشترك، اضغط على "فيليه" لتنعيم المفاصل الحادة.
ملاحظة: أبعاد الدوائر تعتمد على حجم رمح لاستخدامها أثناء تركيب عوامة على أعلى المسايل المياه. في حالتنا، قطر الدائرة الأصغر 0.5 بوصة ودائرة أكبر هو 1 بوصة. نهاية القاعدة سوف يجلس خارج الهندسة زعنفة الجلد، وبالتالي فإن حجم المفاصل لا تقع تحت قيود من الجلد.
- قطعة المتوسطة
- جعل طول هذه القطعة يتناسب مع المسافة بين مفصل الرسغ ومفصل مفصل لأسد البحر. القيام بذلك عن طريق النقر على 'رسم' و رسم الشكل المطلوب (كما هو موضح في الشكل 4B) على متن طائرة. مرة واحدة تم تصميم والهندسة، وانقر على 'قذف' للحصول على الأساسي الشكل الثلاثي الأبعاد للقطعة متوسطة. إدخال طول مقذوف كما 0.1650 بوصة.
ملاحظة: الشكل المطلوب للقطعة متوسطةفي تجربتنا هو شبه منحرف مع ارتفاع 2.25 بوصة وطول القاعدتين كما 1.625 و 0.850 بوصة على التوالي. - إضافة المفاصل على كلا الطرفين. هل هذا كما هو موضح في الخطوة 2.2.1.2. قطر قطع مقذوف هو 0.125 بوصة. ربط المفاصل في نهاية القاعدة إلى نهاية غيض من قطعة قاعدة مع أكسل لتشكيل المفصلي تمثل مفصل الرسغ.
ملاحظة: المفاصل تحتاج لتناسب داخل حجم foreflipper، لذلك تصميم وفقا لذلك. - إضافة برج حوالي 1 سم في الطول إلى نهاية غيض من قطعة من كلا الجانبين.
- لإضافة البرج، انقر على 'رسم' ورسم مستطيل على قاعدة النموذج. بثق رسم طريق تحديد رسم والنقر على 'بوس قذف ". سمك البرج في هذه الحالة بالذات هو 0.165 بوصة.
- انقر على "فيليه" واختيار النموذج وحافة واحدة من برج مقذوف. هذا يقوي المفصل حاد حيث البرج وباترتبط ذاتها من قطعة متوسطة. لا بأس إذا يبرز البرج من هندسة الجلد. يجب أن يكون برج سميكة بما يكفي لتحمل القوى المتولدة أثناء التصفيق زعنفة. انظر الشكل 4 كمرجع.
- جعل طول هذه القطعة يتناسب مع المسافة بين مفصل الرسغ ومفصل مفصل لأسد البحر. القيام بذلك عن طريق النقر على 'رسم' و رسم الشكل المطلوب (كما هو موضح في الشكل 4B) على متن طائرة. مرة واحدة تم تصميم والهندسة، وانقر على 'قذف' للحصول على الأساسي الشكل الثلاثي الأبعاد للقطعة متوسطة. إدخال طول مقذوف كما 0.1650 بوصة.
- قطعة تلميح
- جعل طول هذه القطعة يتناسب مع المسافة بين مفصل مفصل وغيض من أطول عظمة إصبع أسد البحر. القيام بذلك عن طريق النقر على 'رسم' و رسم الشكل المطلوب على متن طائرة. مرة واحدة تم تصميم هندسة، انقر على قذف للحصول على الأساسي الشكل الثلاثي الأبعاد للقطعة طرف.
- إضافة المفاصل على كلا الطرفين. هل هذا كما هو موضح في الخطوة 2.2.1.2. يجب أن يكون قطرها من قطع مقذوف مساويا لقطر المحور، وهو في هذه التجربة هو 0.125 بوصة. وسيتم ربط المفاصل في نهاية القاعدة إلى نهاية غيض من قطعة متوسطة مع المحور لتشكيل المفصلي تمثل المفصل المفصل. هندسة هذه KNUckles يحتاج لتناسب داخل هندسة الجلد foreflipper، لذلك تصميم وفقا لذلك.
- إضافة برج حوالي 1 سم في الطول إلى نهاية قاعدة قطعة من كلا الجانبين. هل هذا هو موضح في الخطوة 2.2.2.3. سمك البرج في هذه الحالة بالذات هو 0.165 بوصة. لا بأس إذا يبرز البرج من هندسة الجلد. يجب أن يكون برج سميكة بما يكفي لتحمل القوى المتولدة أثناء التصفيق زعنفة. انظر الشكل 5 كمرجع.
- قطعة الأساس
3. إنشاء الزعنفة
- 3D طباعة الهيكل العظمي (قاعدة، وقطع المتوسطة وغيض) من زعنفة. تحويل ملف ".SLDRPT" من CAD إلى '. STL' واستيراده إلى البرمجيات الاحتكارية للطابعة وانقر فوق "طباعة".
ملاحظة: التعليمات الطباعة مختلفة لكل طابعة.- تعزيز المفاصل من قطعة متوسطة وطرف بمادة لاصقة (الايبوكسي) والمواضيع الكربون. للقيام بذلك، وقطع الكربوهيدراتعلى خيوط طول 0.750 بوصة. تطبيق لاصق على 3D المطبوعة الهياكل العظمية ووضع المواضيع على المفاصل. وليس من الضروري لتعزيز المفاصل الكبيرة على قطعة قاعدة (الشكل 5A).
- حفر ثقوب في أسفل كل برج في قطر سلسلة كيفلر (السلاسل التي سيتم استخدامها لتحفيز المفاصل).
- تجميع كل قطعة العظم معا من القاعدة إلى تلميح باستخدام المحاور. القيام بذلك عن طريق وضع جميع المكونات على طاولة مسطحة كما هو مبين في الشكل (4). لربط قاعدة وقطعة متوسطة، محاذاة أصابع قطع الغيار وإدراج المحور. استخدام نفس الأسلوب للاتصال الوسط وقطعة طرف معا. استخدام لاصقة على كل نهاية كل محور لضمان المحور لا يتحرك أفقيا (الشكل 5B).
- قطع الأنابيب البلاستيكية لطول التالي. قطع أربعة أنابيب طول قطعة قاعدة العظام (L 1 = 8 سم) واثنين من أنابيب طول قطعة متوسطة (L 2 = 6 سم).
- قطع 4 قطع من كيلوسلسلة لار، كل 3 أقدام في الطول.
- حرك سلسلة واحدة من خلال أنبوب L 1 ثم أنبوب L 2. حرك سلسلة أخرى من خلال أنبوب L 1. كرر هذه العملية مع أنابيب والسلاسل المتبقية.
- وضع أنابيب على أعلى من الهياكل العظمية واستخدام شريط واضح لاجرائها في موقف مؤقتا. باستخدام لاصق، والعصا الأنابيب على الهيكل العظمي ثم قم بإزالة الأشرطة.
ملاحظة: لا يوجد موقف محدد فيه الأنابيب يجب أن توضع، والجانب الحاسم هو مجرد التمسك بها على سطح المبنى. استخدام الشكل 5C كدليل. - الموضوع سلسلة كيفلر من L 1 أنبوب وL 2 أنبوب من خلال حفر ثقوب على طرف والمتوسطة القطع كما هو موضح في الخطوة 3.1.2. جعل عقدة صغيرة ولكنها آمنة مرة واحدة السلسلة من خلال ثقب (الشكل 5D).
- مضيفا الجلد من عوامة لإنشاء عوامة النهائية.
- قياس 200 مل من silicعلى والمتوسطة السيليكون في حاويتين مختلفة.
- صب كل من هذه السوائل في وعاء من الصلب. إضافة أرق الطلاء (لا تزيد عن 10٪ من الوزن الكلي للخليط) إلى الخليط لسهولة صب وخلط.
- استخدام خلاط موقف لمزج الخليط جيدا ل3-4 دقيقة. يمكن إضافة اللون في هذه الخطوة لتحقيق تأثيرات بصرية المطلوب. إذا خالط موقف غير متوفر، استخدام خفقت لأنها مزيج، مع الحرص على كشط الجانبين وقاع الإناء.
- اضافة الى وجود قضبان في المفاصل من الجزء القاعدة ومواءمتها مع المفاصل من العفن زعنفة. عندما تناسب أوتاد في تجاويف القالب، يتم محاذاة الهيكل العظمي تماما في القالب زعنفة. أثناء الضغط باستمرار على جزأين من العفن، وتأمين الأجزاء باستخدام المشبك للضغط وأضاف (هذه الخطوة الهامة بحيث الخليط السيليكون لا تسرب من فجوة بين شطري).
- بمجرد أن يتم خلط الخليط، صب بعناية في القالب حتى الأكثر علوا المفاصلمن الهيكل العظمي. ناز السائل من الفتحة السفلية في القالب هو علامة من خليط الحصول موزعة بشكل متجانس. في بداية هذا، سد الثقب لتجنب المزيد من تدفق السائل. ترك السائل لعلاج لمدة أربع ساعات قبل إزالة الروبوت زعنفة من القالب (انظر الشكل 6).
4. تصاعد
- لتحميل foreflipper السيليكون على المسايل الماء (الشكل 7)، إنشاء بنية التركيب. ويرد التمثيل CAD من التجميع النهائي. (الشكل 8).
- تصميم لوحة مع قطع مقذوف بعناية باستخدام برامج CAD. انقر على 'رسم' ورسم مستطيل الأبعاد 14 × 19 بوصة (الطول لا يهم كما يستخدم الليزر القاطع ملف دوغ). استخدام ورقة مستطيلة من الصلب وقاعدة لتصنيع هذه اللوحة. تحميل الرسم ثنائي الأبعاد من برنامج كندي على جهاز كمبيوتر تعلق على قطع الفولاذ الليزر لتحقيق التخفيضات المطلوبة.
ملاحظة: ثيمنازل الصورة لوحة المحرك وقطع في أنه يسمح للنظام بكرة للعمل. عرض لوحة يساوي عرض المسايل المياه، مما يجعل من الأسهل أن ينزلق لوحة على المسايل. هذا النوع من التوظيف ويساعد في إزالة سهلة للجمعية متزايدة لاستبدال قطع الغيار أو نموذج foreflipper. - إصلاح foreflipper وبكرة على رمح، والذي ينزلق الى الجمالون الثلاثي.
ملاحظة: يتم تطبيق نظام ثلاث بكرة لنقل عزم الدوران / القوة من المحرك إلى قضيب. - استخدام محامل على جانبي لمساعدة قضيب لتدوير بسلاسة. لتقييد حركة قضيب في الاتجاه الأفقي، ضع الياقات رمح على كل نهاية رمح.
- تصميم لوحة مع قطع مقذوف بعناية باستخدام برامج CAD. انقر على 'رسم' ورسم مستطيل الأبعاد 14 × 19 بوصة (الطول لا يهم كما يستخدم الليزر القاطع ملف دوغ). استخدام ورقة مستطيلة من الصلب وقاعدة لتصنيع هذه اللوحة. تحميل الرسم ثنائي الأبعاد من برنامج كندي على جهاز كمبيوتر تعلق على قطع الفولاذ الليزر لتحقيق التخفيضات المطلوبة.
- تعيين حركة زعنفة عن طريق تحديد وظيفة الركض على السائق. الضغط على زر 'حتى' تدور في اتجاه عقارب الساعة زعنفة وعلى زر "داون تدور عكس عقارب الساعة زعنفة. السائق يسمح لتغيير الثورات في الدقيقة الواحدة من المحركرمح وفقا للتعليمات في دليل 20.
- إدراج قائم الزاوية ميناء الصبغة في الماء وزيادة الضغط على النظام صبغ. ضبط سرعة صبغ لسرعة حر مقدارها الماء بحيث يظهر صبغ بمثابة خيوط ناعمة واحد. تدوير زعنفة بحيث يتفاعل الصبغة ويحصل على المحاصرين مع الدوامات مما أدى إنشاؤه.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
عملية المذكورة أعلاه ينتج نموذجا الروبوتية من كاليفورنيا أسد البحر foreflipper. نموذج يمكن استخدامها بطريقتين مختلفتين. هو واحد من المشغلات وعوامة فقط في الجذر (الشكل 6A). في هذه الحالة، وقيادة السيارات يحدد معدل دوران المفصل الأول، ولكن يتم تحديد الحركة الناتجة من زعنفة من تفاعل السائل هيكل بين زعنفة مرنة والمياه المحيطة بها. بالإضافة إلى ذلك، يمكننا خلق الزعانف الروبوتية التي دفعتها في اثنين من المفاصل السفلية بالإضافة إلى الجذر (الشكل 6B). ويتم ذلك من خلال الهياكل برج مطبوعة على قطع الهيكل العظمي. أسلاك متصلة أبراج متصلة منفصلة المحركات ويمكن التحكم بنشاط احدودب من زعنفة خلال حركة التصفيق.
الغرض من زعنفة الروبوتية هو استكشاف حydrodynamics من السكتة الدماغية الدافعة للأسد البحر كاليفورنيا كما هو موضح في فريدمان، 2014 1. طريقة واحدة للقيام بذلك، نوعيا، من خلال قائم على الأصباغ التصور التدفق. تم تركيب عوامة الروبوتية إلى المسايل اعادة توزيع المياه (الشكل 7)، وذلك باستخدام التجمع هو موضح أعلاه. سرعة المحرك والتدفق، ويتم تعيين لاستكشاف معلمة معينة في الفضاء مثل عدد رينولدز بناء على وتر عوامة (إعادة = مكعب / ν حيث ν هو اللزوجة الديناميكية من الماء) أو السرعة الزاوية، ω، أو التسارع، α .
التصور صبغ هو مبين في الشكل 9 يستخدم صبغة الفلورسنت حقن فقط المنبع من الحافة الأمامية للزعنفة. ومجرور الصبغة في الطبقة القص في سطح زعنفة ويسمح لنا تصور هيكل دوامة من اليقظة. الرقم </ قوي> 9a ليظهر تيار صبغ يجري حقن المنبع (إلى اليمين)، من زعنفة. الاضطرابات نرى على الجانب الأيسر من الصورة هي نتيجة للدورة السابقة. كما انتقلت زعنفة من خلال موقع الحقن (الشكل 9B)، ضغط منخفض على السطح العلوي للزعنفة يتسبب في صبغ ليتم سحبها في جميع أنحاء زعنفة. وأخيرا، (الشكل 9C)، وأشكال دوامة مثل عوامة تتحرك تماما من الطائرة. هذا الهيكل convects المصب مع تدفق المتوسط. هذه النتائج تثبت كيف أن هذا الأسلوب يمكن أن تستخدم لتحديد نوعيا flowfield المحيطة أسد البحر أثناء السكتة الدماغية الدافعة.
بالإضافة إلى القياسات النوعية من أعقاب زعنفة، يمكننا استخدام السرعة بواسطة الصور الملتقطة للجسيمات (التعريف الشخصي) لقياس سرعة الميدان المحيطة زعنفة. وهكذا، يمكننا الحصول على البيانات النوعية عن الهيدروديناميكيةالصورة السباحة أسد البحر لمجموعة متنوعة من الحالات قابلة للتكرار.
الشكل 1: الزعنفة مقارنة القاع. ويستخدم foreflipper اليسار من عينة من كاليفورنيا أسد البحر الإناث لتحديد المعايير الهندسية للزعنفة الروبوتية ل. لوحة العليا (أ) هو ارتفاع القرار، وصورة ثنائية الأبعاد من زعنفة. اللوحة السفلى (ب) هو ثلاثي الأبعاد، التصميم بمساعدة الكمبيوتر مما يجعل من زعنفة من الفحص بالليزر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: سلك. صورة رقمية للزعنفة الممسوحة ضوئيا تحتفظليالي ملامح هندسية foreflipper الحيوان. هذه الصورة تظهر وجهة نظر سلك الإطار من زعنفة الرقمية. وترد تسعة المقاطع العرضية متباعدة بشكل متساو في الرمادي (كل سنتيمتر من القاعدة إلى غيض من foreflipper). آراء متساوي القياس اثنين (المقطع العرضي 1 و 7) تبين أن عوامة لها شكل يشبه الجنيح، مع حافة سمكا، تقريب الرائدة. ومحدب وزعنفة، مع السطح العلوي أكثر محدب ومقعر سطحه الداخلي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): القالب. يتم إنشاء القالب المستخدم في إنشاء الجزء المرن للزعنفة الروبوتية من العينة زعنفة الممسوحة ضوئيا. القالب من جزأين: الحد الأعلى (البنفسجية) والقسم السفلي (الأخضر) التي تتماشى مع الذكور وفيمالمشاركات البيرة، على التوالي. يتم محاذاة الهيكل العظمي الروبوت (الشكل 4) داخل القالب قبل يسكب الخليط السيليكون في القالب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (4): الهيكل العظمي. ويدعم زعنفة الروبوتية مرنة من هيكل عظمي وطبع في ثلاثة أجزاء: قاعدة (أ)، وسط (ب) وطرف (ج). القاعدة والوسط والوسط والحافة، ترتبط بها المسامير من خلال المفاصل في مفاصلهم. وهذا يسمح للمرونة حول تلك المواقع من زعنفة الانتهاء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا فيقوإعادة.
الرقم 5: الجمعية الهيكل العظمي. بعد الطباعة، وأجزاء الهيكل العظمي، وعزز المفاصل مع المواضيع الكربون (أ)، ويرتبط بعضها ببعض في المفاصل مع axels (ب)، تلصق توجيه أنابيب إلى قاعدة والقطع المتوسط (ج) و المواضيع كيفلر متصلا الأبراج (د). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: الزعنفة الروبوتية. ويتكون زعنفة الروبوتية من السيليكون المرن (أبيض) مع البلاستيك دعم البنية الراسخة (الأزرق). رمح في بالتناوب الأساس، ليحاكي روتانشوئها عند الكوع والكتف من الحيوان. وزعنفة الروبوتية يمكن أن تكون سلبية (أ)، حيث دفعتها إلى ذلك فقط في جذور ويستند الحركة الناتجة من التفاعلات السائل هيكل، أو نشاطا (ب) حيث ربط الأسلاك كيفلر إلى المفاصل توفر التغييرات الضرورية في احدودب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 7: المسايل. وتجرى التجارب التدفق في المسايل اعادة توزيع المياه في جامعة جورج واشنطن. المسايل قسما عمل 0.60 (العرض) بنسبة 0.40 (عمق) متر، طويل 10 متر، ويمكن تشغيلها على سرعات تدفق يصل إلى 1 م / ث. تدفق من اليمين إلى اليسار، في الشكل. تم تركيب عوامة الروبوتية باستخدام التجميع هو مبين في فيقوإعادة 8 إلى القضبان في الجزء العلوي من قسم الاختبار. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8: الجمعية. تم تركيب عوامة الروبوتية إلى المسايل إعادة تدوير مع تصاعد الطلب. وتصاعد يحمل محرك مؤازر متصل المحور الرئيسي للزعنفة الروبوتية (الموجود في جذر زعنفة الروبوتية) من خلال حزام وثلاثة البكرات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 9: صبغ التصور. فلورييتم حقن صبغة من خلال أنبوب المنبع من زعنفة الخفقان. وتظهر ثلاث حالات من الزمن: (أ) بداية ر دورة = 0، (ب) 40٪ من الطريق من خلال ر دورة = 0.4، و (ج) بعد 80٪ من ر دورة = 0.8. في اللوحة اليمنى (ج)، يمكننا أن نرى دوامة التي تشكلت حول غيض من زعنفة الروبوتية الخفقان. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
فإن جهاز زعنفة الروبوتية تسمح لنا أن نفهم الهيدروناميكا من السباحة كاليفورنيا أسد البحر. ويشمل ذلك إنتاج الاتجاه الأساسية السكتة الدماغية (في "التصفيق")، وكذلك الاختلافات غير المادية التي الدراسات على الحيوانات لا يمكن التحقيق. وقد تم تصميم زعنفة الروبوتية لبراعة التجريبية، وبالتالي، الخطوة 3-حيث زعنفة هو في حد ذاته الصنع أمر بالغ الأهمية في الحصول على النتائج المرجوة. في حين أن هذا الجهاز هو، بشكل واضح، مجرد نموذج لنظام المعيشة، في دراسات الموقع من أسد البحر كاليفورنيا من الصعب للغاية، ومجموعة من البيانات الممكن محدودة للغاية.
في حين الممكنة، القياسات الميدانية سرعة في بعض الأحيان على الحيوانات المائية الكبيرة هي صعبة جدا (مثل الحيوانات غير المدربة، غير بحثية من الزجاج الصف المشاهدة، أي سيطرة على البيئة)، والأخطاء هي أعلى من التجارب المعملية 21. وعلاوة على ذلك، فإنها تتطلب الوصول إلى الحيوانات التي هيغالبا ما يكون من المستحيل الحصول على وفي مثل هذه الحالات منصات الروبوتية مثل واحد بنينا تسمح لفي تحقيقاته. بالإضافة إلى تكرار نظام المعيشة بأكبر قدر من الأمانة، ونماذج الروبوتية تسمح لنا تعديله بطرق غير واقعية. على سبيل المثال، القالب يمكن تعديلها لتغيير زائدة التشكل الحافة. أو نسيج من سطح يمكن تغيير للتحقيق في دور المجهرية على أداء السباحة.
استخدام منصة روبوتية للتحقيق في أداء نظام بيولوجي فقط يعطي نظرة جزئية من هذا النظام، وهذا هو وجود قيود على هذا النهج. وعلاوة على ذلك، وهذا بروتوكول معين يعزل foreflipper من باقي الجسم أسد البحر. وهكذا، فإن النتائج لا تقدم صورة كاملة للنظام والتفاعلات هيئة زعنفة. وتشمل القيود مزيد من خصائص متجانسة من زعنفة ونقطة يشتغل الحكمة (على عكس يشتغل الموزعة تميز الكلية musculoskelatalمنظومات). بالإضافة إلى ذلك، أن المواد غير المتوافقة، ويمكن أن تؤدي إلى السوائل والهيكلة التفاعلات التي ليست موجودة في نظام فيزيائي. تم تصغير هذه باستخدام المواد التي تحاكي بشكل وثيق الخصائص البيولوجية الشاملة، ولكن لا يمكن أبدا أن يسيطر تماما ل. وعلى الرغم من هذه القيود، يمكن تعلم الكثير من خلال مقارنة أداء مختلف وسائل تفعيل وظروف التدفق.
سوف زعنفة الروبوتية تشكل أساسا لمشروع بحثي غنية من شأنها أن توفر نظرة ثاقبة في الفيزياء الأساسية لنموذج فريد من السباحة في كفاءة أسد البحر كاليفورنيا. منصة مرنة، وكل عوامة يمكن بسرعة بأقل تكلفة ممكنة. وهكذا، يمكن اختبار مساحة المعلمة كبيرة كما تثور أسئلة بحثية جديدة.
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).
