Summary
En robot platform beskrives som vil blive brugt til at studere de hydrodynamiske ydeevne-kræfter og FlowFields-i svømning Californien søløver. Robotten er en model af dyrets foreflipper der aktiveres af motorer til at replikere bevægelsen af sin fremaddrivende slag (den "klappe").
Abstract
Den californiske søløve (Zalophus californianus), er en adræt og kraftfuld svømmer. I modsætning til mange succesfulde svømmere (delfiner, tun), de genererer de fleste af deres fremstød med deres store foreflippers. Denne protokol beskriver en robot platform designet til at studere hydrodynamiske ydeevne svømning Californien søløve (Zalophus californianus). Robotten er en model af dyrets foreflipper der aktiveres af motorer til at replikere bevægelsen af sin fremaddrivende slag (den "klappe"). De kinematik i havet løvens fremaddrivende slagtilfælde er udvundet fra videodata af umærket, ikke-forskning søløver på Smithsonian Zoological Park (SNZ). Disse data udgør grundlaget for aktiveringen bevægelse af robot flipper præsenteres her. Geometri robot flipper bygger en på høj opløsning laser scanning af en foreflipper af en voksen kvinde søløve, skaleret til omkring 60% af fuld skala flipper. Den leddelte model har tre joints, efterligne albue, håndled og fingerled af søløve foreflipper. Den robot platform matcher dynamik egenskaber-Reynolds tal og drikkepenge speed-af dyret under acceleration fra resten. Robotic flipper kan anvendes til at bestemme ydeevnen (kræfter og momenter) og deraf FlowFields.
Introduction
Mens forskere har undersøgt de grundlæggende karakteristika for søløver svømning (energetik, udgifter til transport, vindmodstand, lineær hastighed og acceleration 1-3, mangler vi oplysninger om fluid dynamik i systemet. Uden denne viden, begrænser vi potentiel høj hastighed høj manøvredygtighed engineering ansøgninger til kroppen-halefinnen (BCF) bevægelseskomponenter modeller 4. Ved at karakterisere et andet svømning paradigme, håber vi at udvide vores katalog af designværktøjer, især dem med potentiale til at gøre det muligt for mindre støjende, mere listig former for svømning. således , studerer vi den grundlæggende mekanisme af søløve svømning gennem direkte observation af California søløve og laboratorieundersøgelser ved hjælp af en robot søløve foreflipper 5,6.
For at gøre dette, vil vi ansætte en almindeligt anvendt teknik til at udforske komplekse biologiske systemer: en robot platform 7. Adskillige bevægelseskomponenter studier-both af at gå 8,9 og svømning 10 -Har været baseret på enten komplekse 11 eller stærkt forenklede 12 mekaniske modeller af dyr. Typisk robot platforme bevarer essensen af modelsystemet, samtidig med at forskere til at udforske store parameter rum 13-15. Mens ikke altid karakteriserer hele systemet, meget er lært gennem disse platforme, som isolerer en enkelt komponent af et lokomotiv system. For eksempel er den grundlæggende funktion ustabile skibsskruer, som frem-og-tilbage fejning af en halefinnen under carangiform svømning, er blevet intenst udforsket gennem eksperimentelle undersøgelser af pitching og / eller hivning paneler 12,16,17,18. I dette tilfælde kan vi isolere visse tilstande af denne komplekse bevægelser på måder, animalsk baserede undersøgelser kan ikke. Disse grundlæggende aspekter af fremdrift kan derefter bruges i konstruktionen af køretøjer, som ikke har brug for den biologiske kompleksitet evolution giver.
(Zalophus californianus) eksemplar. Den roboflipper aktiveres til at replikere bevægelsen af dyrenes stammer fra tidligere undersøgelser 1. Denne robot flipper vil blive brugt til at undersøge hydrodynamiske ydeevne svømning søløve og til at udforske et bredere parameter plads end dyreforsøg, især af store havpattedyr, kan give.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Digitalisere en enhed af en Sea Lion Foreflipper
- Scan et eksemplar af en søløve foreflipper.
- Anskaf et eksemplar af en søløve flipper fra en afdød person (figur 1a).
BEMÆRK: I vores tilfælde blev de indhentet fra Smithsonian Zoological Park i Washington, DC - Hænge foreflipper lodret fra bunden (hvor foreflipper tillægger dyrets krop). Dette både tillader flipper til at være lige, når scannet, og udsætter hele overfladen til scanning.
- Scan flipper anvendelse af en høj opløsning struktureret lysscanneren, med en nøjagtighed på ca. 0,5 mm, og fejl på ca. 0,1 mm (figur 1b).
- Anskaf et eksemplar af en søløve flipper fra en afdød person (figur 1a).
- Importer punkt sky i CAD-software og gøre det som en overflade. For at gøre dette, klik på 'Åbn' og vælg den ønskede Obj fil. Klik på 'Importer "for at importere filen ind i CAD-software.
- Manipulere den resulterende punktsky hjælpen computer-aided design (CAD) software ved at klikke på 'Ekstruderet cut "og skære kødet del (uønskede del) af scanningen. Klik derefter på 'Scale' for at opnå den passende skalering for robot flipper (68% af fuld størrelse). Inspicere flipper for tilstrækkelig detaljeret opsamling ved sammenligning med den oprindelige prøve (figur 2).
- Opret skimmel omkring flipper.
- I et CAD-software, skal du bruge flipper overflader for at danne en form ved at oprette en omgivende volumen omkring flipper overflade. Gør dette ved at ekstrudere en rektangulær blok ved at klikke på "Sketch" for at tegne et rektangel og derefter ekstrudering det til mere end højden af flipper helt at omfatte det.
- Klik på 'Assembly "og importere begge dele (flipper og rektangulære blok) i arbejdsområdet. Klik på 'Mate ", og gøre det forreste og øverste flade både flipper og mug som sammenfaldende. Dette placerer automatisk flipper inde i formen.
- Select formen fra design træet og klik på 'Rediger Part «. Når den del er valgt, skal du klikke på 'Indsæt> Funktioner> Cavity "for at gøre et hulrum i flipper inde i formen. Skitser en linje i midten af den rektangulære form og klik på 'Split' for at danne to dele af den samme form.
- Klik på 'Cut del "for at adskille det omgivende volumen i to dele for nem flipper udvinding. Indsæt hulrum og pinde på hver halvdel af volumen og gemme det som en del et og to af den flipper mug (figur 3).
- Konverter ».SLDRPT 'filer af formen til" STL ". Importere disse filer til proprietær software af 3D printer, og klik på 'Udskriv' til at generere 3D trykt form.
2. Design knoglestrukturen
- Åbn digitale foreflipper i et CAD-software og få et billede af Søløve foreflipper knoglestrukturen til reference (såsom Figur1 på engelsk, 1977 19).
- Design tre forskellige stykker, der efterligner knoglestrukturen, der vil passe ind i digitale model af foreflipper. I hele denne procedure, "base" refererer til udgangen af en del tættere på bunden af foreflipper og "spids" refererer til udgangen af den del tættere på spidsen af foreflipper.
- basisstykket
- Gør længden af dette stykke proportional med afstanden mellem skulderleddet og håndled sea lion flipper (målinger opnås ved anvendelse målebånd). Gør dette ved hjælp af en CAD-software ved at klikke på "Sketch" og designe formen på basen stykke (figur 4).
- Tilføj knoer i begge ender af den del, ved at klikke på "Sketch" og tegning to cirkler. Klik på "Boss Extrude 'for at ekstrudere den ønskede længde fra planet af basisstykket. Klik på skitsen af den mindre kreds at skære ind i extrude ved at klikke på "Cut Extrude 'at gøreplads til akslen. For at styrke denne fælles, klik på 'Fillet "for at udjævne de skarpe leddene.
BEMÆRK: Dimensionerne af cirklerne afhænger af størrelsen af akslen, der skal anvendes under montering flipperen oven på vand målekanal. I vores tilfælde er diameteren af den mindre cirkel er 0,5 inches og jo større cirkel er 1 inches. Basen ende vil sidde udenfor flipper huden geometri, så størrelsen på knoerne ikke falder ind under de begrænsninger af huden.
- midterstykke
- Gør længden af dette stykke proportional med afstanden mellem håndleddet og knækled af en søløve. Gør dette ved at klikke på "Sketch" og skitsering den ønskede form (som vist i figur 4b) på et fly. Når geometrien er designet, skal du klikke på 'Extrude' for at få den grundlæggende tre-dimensionelle form af midterstykket. Indtast den ekstruderede længde som 0.1650 inches.
BEMÆRK: ønskede form af midterstykketi vores eksperiment er en trapez med en højde på 2,25 inches og længden af de to baser som 1,625 og 0,850 inches henholdsvis. - Tilføj knoer på begge ender. Gør dette som beskrevet i trin 2.2.1.2. Diameteren af den ekstruderede snit er 0,125 inches. Forbind knoerne på basen ende til den spidse ende af basen stykke med en axel til dannelse af et hængsel, der repræsenterer håndleddet.
BEMÆRK: knoer nødt til at passe ind i mængden af foreflipper, så design i overensstemmelse hermed. - Tilføj et tårn ca. 1 cm i højden til den spidse ende af stykket på begge sider.
- For at tilføje et tårn, skal du klikke på 'Sketch "og skitsere et rektangel i bunden af modellen. Ekstrudere skitsen ved at vælge skitse og klikke på "Boss Extrude '. Tykkelsen af tårnet i dette særlige tilfælde er 0,165 inches.
- Klik på 'Fillet' og vælg den model og den ene kant af ekstruderede tårn. Det styrker den skarpe fælles hvor tårnet og baSE af midterstykket er forbundet. Det er i orden, hvis tårnet rager frem fra geometrien af huden. Tårnet skal være tyk nok til at modstå de kræfter, der genereres i løbet af en flipper klap. Se figur 4 for reference.
- Gør længden af dette stykke proportional med afstanden mellem håndleddet og knækled af en søløve. Gør dette ved at klikke på "Sketch" og skitsering den ønskede form (som vist i figur 4b) på et fly. Når geometrien er designet, skal du klikke på 'Extrude' for at få den grundlæggende tre-dimensionelle form af midterstykket. Indtast den ekstruderede længde som 0.1650 inches.
- Tip Piece
- Gør længden af dette stykke proportional med afstanden mellem knækled og spidsen af den længste finger knogle af en søløve. Gør dette ved at klikke på "Sketch" og skitsering en ønsket form på et fly. Når geometrien udformes, klikke på extrude at få den grundlæggende tredimensionale form af spidsen stykke.
- Tilføj knoer på begge ender. Gør dette som beskrevet i trin 2.2.1.2. Diameteren af den ekstruderede snittet skal være lig med diameteren af akslen, hvilket i dette forsøg er 0,125 inches. Knoerne på basen ende vil være forbundet til den spidse ende af midterstykket med en aksel til dannelse af et hængsel, der repræsenterer knækleddet. Geometri disse KNUckles skal passe inde geometri foreflipper hud, konstruere tilsvarende.
- Tilføj et tårn ca. 1 cm i højden til basisenden af stykket på begge sider. Gør dette beskrevet i trin 2.2.2.3. Tykkelsen af tårnet i dette særlige tilfælde er 0,165 inches. Det er i orden, hvis tårnet rager frem fra geometrien af huden. Tårnet skal være tyk nok til at modstå de kræfter, der genereres i løbet af en flipper klap. Se Figur 5 for reference.
- basisstykket
3. Oprettelse af en Flipper
- 3D print skelettet (base, mellemledere og tip stykker) i flipper. Konverter ».SLDRPT 'fil fra CAD til" STL "og importere den i printerens proprietær software og klik på' Udskriv '.
BEMÆRK: Instruktionerne udskrivning er forskellige for hver printer.- Styrke knoerne i den midterste og drikkepenge stykke med et klæbemiddel (epoxy) og kulstof tråde. For at gøre dette, skære carbpå tråde af længde 0,750 inches. Påfør lim på 3D trykt knoglestrukturer og lægge trådene over knoerne. Det er ikke nødvendigt at styrke de store knoer på basen stykke (figur 5a).
- Bor huller i bunden af hvert tårn diameteren af Kevlar streng (strenge, der vil blive anvendt til at aktivere leddene).
- Saml alle knoglestykker sammen fra bunden til spidsen ved hjælp af aksler. Gør dette ved at placere alle komponenter på et fladt bord, som vist i figur 4. For at forbinde basen og midterstykke, justere knoerne af delene og indsæt akslen. Anvende den samme teknik til at forbinde den midterste og spidsen stykke sammen. Brug et klæbemiddel på hver ende af hver aksel for at sikre akslen ikke bevæge sig lateralt (figur 5b).
- Skær plastrør til den følgende længde. Skær fire rør længden af basen knogle stykke (L1 = 8 cm) og to rør længden af midterstykket (L2 = 6 cm).
- Skær 4 stykker Kevlar snor, hver 3 fod i længden.
- Skub en snor gennem en L 1 tube og derefter en L 2 rør. Skub anden streng gennem en L 1 tube. Gentag processen med de resterende rør og strenge.
- Anbring glassene på toppen af knoglestrukturer og bruge en klar tape til at holde dem på plads midlertidigt. Anvendelse af et klæbemiddel, stick rørene på knoglestrukturen og derefter fjerne båndene.
BEMÆRK: Der er ingen specifik position, i hvilken rørene skal placeres, den kritiske aspekt er at bare klæbe dem på overfladen af strukturen. Brug figur 5c som en retningslinje. - Tråd Kevlar strengen fra L 1 tube og L2 rør gennem huller boret på spidsen og mellemstykker som beskrevet i trin 3.1.2. Foretag en lille, men sikker knude når strengen er gennem hullet (figur 5d).
- Tilføjelse hud flipper at skabe en endelig flipper.
- Mål 200 ml SILICpå og silicium medium i to forskellige beholdere.
- Hæld begge disse væsker i en stål skål. Tilføj fortynder (ikke at overstige 10% af vægten af den samlede blanding) til blandingen for nem at hælde og blanding.
- Brug en stand mixer til at blande blandingen grundigt i 3 - 4 minutter. Farve kan tilsættes på dette trin for at opnå de ønskede visuelle effekter. Hvis en stand mixer ikke er tilgængelig, kan du bruge et piskeris til at blande det, at tage sig til at skrabe siderne og bunden af beholderen.
- Sæt en stang i knoerne af basisdelen og juster den med knoerne i flipper mug. Når tappene passer ind i hulrummet af formen, er knoglestrukturen perfekt justeret i flipper formen. Mens du holder på de to dele af mug, sikre delene ved hjælp af en klemme for ekstra kompression (dette trin er kritisk, så, at silicium blanding ikke lække fra mellemrummet mellem de to dele).
- Når blandingen er blandet, omhyggeligt hæld det i formen indtil de øverste knoeraf knoglestruktur. Oozing af væske fra bunden hul i formen er et tegn på blandingen blive ensartet fordelt. Ved starten af dette, plug hullet for at undgå yderligere strømning af væsken. Lad væsken hærde i fire timer før fjernelse af flipper robot fra støbeformen (se figur 6).
4. Montering
- For at montere silicium foreflipper på vandet renden (figur 7), oprette et monterings struktur. En CAD repræsentation af den færdige samling er vist. (Figur 8).
- Design en plade med en omhyggeligt ekstruderet snit ved hjælp af CAD-software. Klik på 'Sketch "og tegne et rektangel af dimensioner 14 x 19 inches (højden er ligegyldigt, da laser cutter bruger en .dwg fil). Brug et rektangulært ark af stål som basen til at fremstille denne plade. Upload et todimensionalt tegning fra CAD-software på en computer er fastgjort til en stål laserskærer at nå de ønskede nedskæringer.
BEMÆRK: This plade huse motor og cut i det giver mulighed for remskiven systemet fungerer. Bredden af pladen er lig med bredden af vandet målekanal, og dermed gøre det lettere at skubbe plade over renden. Denne type af placering hjælper med nem fjernelse af monteringsaggregatet at udskifte dele eller foreflipper model. - Fastgør foreflipper og remskive på en aksel, som glider ind i en trekantet gitterværk.
BEMÆRK: En tre-remskivesystemet er implementeret for at overføre drejningsmoment / kraft fra motoren til stangen. - Bruge lejer på begge sider for at hjælpe stangen til at rotere jævnt. At begrænse bevægelsen af stangen i sideretningen, placerer Akselflanger på hver ende af akslen.
- Design en plade med en omhyggeligt ekstruderet snit ved hjælp af CAD-software. Klik på 'Sketch "og tegne et rektangel af dimensioner 14 x 19 inches (højden er ligegyldigt, da laser cutter bruger en .dwg fil). Brug et rektangulært ark af stål som basen til at fremstille denne plade. Upload et todimensionalt tegning fra CAD-software på en computer er fastgjort til en stål laserskærer at nå de ønskede nedskæringer.
- Indstil bevægelse flipper ved at vælge joggingfunktionen på føreren. Ved at trykke på knappen 'Up' roterer flipper uret og knappen 'Ned' roterer flipper mod uret. Driveren tillader forandring til omdrejningstallet af motorenaksel i henhold til instruktionerne i manualen 20.
- Sæt retvinklet farvestof port i vandet og øge presset på farvestoffet systemet. Justere hastigheden af farvestoffet til freestream vandhastighedens så farvestoffet vises som en enkelt glat filament. Drej flipper så farvestoffet interagerer og bliver fanget med de resulterende hvirvler genereret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den ovenfor beskrevne fremgangsmåde giver en robot model af en California sea lion foreflipper. Modellen kan anvendes på to forskellige måder. Den ene er ved at aktivere flipper kun ved roden (figur 6a). I dette tilfælde drivmotoren indstiller rotationshastighed af den første fælles, men den resulterende bevægelse af flipper bestemmes af fluid-struktur interaktion mellem den fleksible flipper og det omgivende vand. Derudover kan vi skabe robot svømmefødder der er aktiveret til to nedre samlinger foruden roden (figur 6b). Dette sker gennem tårnet strukturer trykt på skelet stykker. Ledninger forbundet til tårnene er forbundet til at adskille motorer og kan aktivt styre camber af flipper under klappe bevægelse.
Formålet med robot flipper er at undersøge hydrodynamics af fremaddrivende slag af California søløve som beskrevet i Friedman, 2014 1. En måde at gøre dette, kvalitativt, er gennem farvestofbaseret flow visualisering. Robotic flipper er monteret på en recirkulerende vand målekanal (figur 7) ved anvendelse af konstruktionen beskrevet ovenfor. Motoren og strømningshastighed, er indstillet til at udforske en given parameter space-såsom Reynolds tal baseret på flipper akkord (Re = Cu / ν hvor ν er den dynamiske viskositet af vand) eller vinkelhastighed, ω, eller acceleration, α .
Farvestoffet visualisering vist i figur 9 anvender fluorescerende farvestof injiceres umiddelbart opstrøms for forkanten af flipper. Farvestoffet medrives ind i shear lag ved overfladen af flipper og tillader os at visualisere vortex struktur kølvandet. Figur </ strong> 9a viser strømmen af farvestof indsprøjtes opstrøms (til højre) på den flipper. Forstyrrelserne ses på venstre side af billedet er resultatet af den foregående cyklus. Som flipper bevæges gennem injektion placering (fig 9b), lavtryk på den øvre overflade af flipper forårsager farvestoffet at blive trukket rundt om flipper. Endelig (figur 9c), en vortex former som flipper bevæger fuldt ud af flyet. Denne opbygning convects nedstrøms med den gennemsnitlige flow. Disse resultater viser, hvordan denne teknik kan anvendes til kvalitativt at bestemme FlowField omgiver en sea lion under fremdrivende slagtilfælde.
Foruden de kvalitative målinger af flipper kølvandet, kan vi bruge partikel billede Velocimetry (PIV) til at måle hastigheden felt, der omgiver flipper. Således kan vi opnå kvalitative data om hydrodynamiskes af søløve svømning for en bred vifte af reproducerbare situationer.
Figur 1: Flipper Bottom Sammenligning. En venstre foreflipper fra en prøve af en kvindelig Californien søløve bruges til at bestemme den robot flipper s geometriske parametre. Toppanelet (a) er en høj opløsning, todimensionale billede af flipper. Den nedre panel (b) er et tredimensionalt, computerstøttet design præstationen af flipper fra laseren scanning. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Wire. Det digitale billede af det scannede flipper beholdes de geometriske funktioner i dyrets foreflipper. Dette billede viser en wire-frame visning af digitale flipper. Ni jævnt fordelte tværsnit er vist i gråt (hver centimeter fra bunden til spidsen af foreflipper). De to isometriske (tværsnit 1 og 7) viser, at flipper har et profil-lignende form, med en tykkere, afrundede forkant. Flipper er hvælvet, med sin øvre overflade mere konveks og sin indre overflade konkav. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Mold. Formen bruges til at skabe den fleksible del af robot svømmefod er skabt ud fra de scannede flipper prøven. Formen har to dele: en øvre (lilla) og en nedre del (grøn), der flugter med mandlige og kvinale indlæg henholdsvis. Robotten skelet (Figur 4) er rettet ind inde i formen, før silicium hældes i formen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: skelet. Den fleksible robot flipper understøttes af et skelet trykt med tre dele: basisdelen (a), midten (b) og spidsen (c). Basen og midten, og den midterste og drikkepenge, er forbundet med dyvler gennem knoer på deres samlinger. Dette giver mulighed for fleksibilitet omkring de steder af den udfyldte flipper. Klik her for at se en større version af denne Figure.
Figur 5: Skeleton forsamling. Efter udskrivning, skeletdele, knoerne er forstærket med carbon tråde (a), er de forbundet på knoerne med aksler (b), er guide-rør fastgjort til basen og midterste stykker (c) og Kevlar tråde er forbundet til tårnene (d). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Robotic Flipper. Robotic flipper er fremstillet af fleksibelt silikone (hvid) med en indlejret plast bærende konstruktion (blå). Akslen ved basis roterer, efterligner rotation ved albuen og skulderen af dyret. Den robot flipper kan være passive (a), hvor den kun aktiveres ved roden og den resulterende bevægelse er baseret på væske-struktur interaktion, eller aktiv (b) hvis Kevlar ledninger forbinde til knoerne giver de nødvendige ændringer i camber. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Flume. Flow eksperimenter udføres i det recirkulerende vand flume på George Washington University. Renden har en arbejdsgruppe sektion af 0,60 (bredde) gange 0,40 (dybde) meter, er 10 meter lang, og kan køre på strømningshastigheder på op til 1 m / s. Flow er fra højre til venstre, i figuren. Den robot flipper monteres ved hjælp af samlingen vist i Figure 8 til skinnerne øverst testsektionen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Montering. Den robot flipper er monteret på en recirkulerende flume med en brugerdefineret montering. Monteringen besidder en servomotor, der er forbundet til hovedakse robot flipper (placeret ved roden af den robot flipper) gennem et bælte og tre remskiver. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: Dye visualisering. Fluorescerendefarvestof indsprøjtes gennem et rør opstrøms for flagrende flipper. Tre forekomster af tid er vist: (a) i begyndelsen af cyklussen t = 0, (b) 40% af vejen gennem cyklus t = 0,4, og (c) efter 80% af cyklus t = 0,8. I det højre panel (c), kan vi se et vortex, der har dannet rundt om spidsen af flagrende robot flipper. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den robot flipper apparat vil give os mulighed for at forstå de hydrodynamik i svømning Californien søløver. Dette omfatter den grundlæggende hovedlinjerne producerer slagtilfælde (den "klappe"), såvel som ikke-fysiske variationer, dyreforsøg ikke kan undersøge. Robotic flipper er designet til eksperimentel alsidighed, således, trin 3-hvor flipper selv er lavet-er kritisk i at opnå de ønskede resultater. Mens dette apparat er tydeligvis blot en model af levende system, in situ undersøgelser af California sea lion er ekstremt vanskelige og udvalget af mulige data er ret begrænset.
Mens nogle gange muligt, hastighed feltmålinger på store vanddyr er meget vanskelige (f.eks utrænede dyr, ikke-forskning kvalitet visning glas, ingen kontrol over miljøet), og fejlene er højere end laboratorieforsøg 21. Desuden er de kræver adgang til de dyr, der erofte umulige at opnå og i sådanne tilfælde robot platforme som den vi byggede mulighed for tilbundsgående undersøgelser. Ud over at replikere levende system så nøjagtigt som muligt, robot modeller giver os mulighed for at ændre det på urealistiske måder. For eksempel kan formen modificeres til at ændre bagkanten morfologi. Eller, kan teksturen af overfladen ændres til at undersøge den rolle, som mikrostruktur på svømning ydeevne.
Anvendelsen af en robot platform til at undersøge effektiviteten af et biologisk system giver kun et delvist billede af dette system-dette er en begrænsning i denne fremgangsmåde. Desuden er denne særlig protokol isolerer foreflipper fra resten af sea lion krop. Således vil resultaterne ikke tilbyde et komplet billede af systemet og krop-flipper interaktioner. Yderligere begrænsninger omfatter de homogene egenskaber af flipper og punkt klogt aktivering (i modsætning til den fordelte aktivering af musculoskelatal sysmer). Derudover dette materiale er eftergivende og kan føre til fluid-struktur-interaktioner, som ikke er til stede i det fysiske system. Dette minimeres ved anvendelse af materialer, der nøje replikerer de samlede biologiske egenskaber, men kan aldrig blive fuldstændig kontrolleret for. På trods af disse begrænsninger, kan meget læres ved at sammenligne effektiviteten af forskellige aktiveringsmodus og strømningsforhold.
Den robot flipper vil danne grundlag for en rig forskningsprojekt, der skal give indsigt i de grundlæggende fysik af en unik paradigme effektiv swimming-California søløve. Platformen er fleksibel, og hver flipper kan gøres hurtigt med minimale omkostninger. Således kan en stor parameter plads testes som nye forskningsspørgsmål opstår.
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).
