Summary

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

Published: January 10, 2017
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Summary

ロボットプラットフォームは、流体力学的性能-力と水泳カリフォルニアアシカ-の流れ場を研究するために使用されることが記載されています。ロボットはその推進ストローク( '拍手')の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。

Abstract

カリフォルニアアシカ(Zalophusのcalifornianus)は 、機敏で強力なスイマーです。多くの成功したスイマー(イルカ、マグロ)とは異なり、彼らは大きなforeflippersとの推力の大部分を生成します。このプロトコルは、水泳カリフォルニアアシカ(Zalophusのcalifornianus)の流体力学的性能を研究するために設計されたロボットプラットフォームについて説明します。ロボットはその推進ストローク( '拍手')の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。アシカの推進ストロークの運動学は、スミソニアン動物園(SNZ)でマークされていない、非研究アシカの映像データから抽出されています。これらのデータは、ここに提示ロボットフリッパーの作動運動の基礎を形成します。ロボットフリッパーの形状は、フルスケールのフリッパーの約60%に縮小成人女性アシカのforeflipperの高解像度でのレーザスキャンをベースにしています。関節式モデルは、3 Jを持っていますoints、アシカforeflipperの肘、手首とナックルジョ​​イントを模倣します。残りの部分から加速時ロボットプラットフォームは、力学特性、レイノルズ数とチップ速度の動物と一致します。ロボットフリッパーは、性能(力およびモーメント)を加え、得られた流れ場を決定することができます。

Introduction

科学者はアシカ水泳(エネルギー論、輸送のコスト、抗力係数、線速度と加速1-3基本的な特性を調査しているが我々はシステムの流体力学に関する情報が不足している。この知識がなければ、我々は潜在的な高速を制限、高機動性のエンジニアリングアプリケーション本体-尾鰭(BCF)運動モデルに4。異なる水泳のパラダイムを特徴づけることによって、私たちは水泳の静かな、ステルスフォームを有効にする可能性と特異的にものを、設計ツールのカタログを拡大したいと考えています。したがって、 、我々は5,6 foreflipperロボットアシカを使用して、カリフォルニアアシカや研究室の研究の直接観察を通じてアシカの水泳の基本的なメカニズムを研究しています。

ロボットプラットフォーム7:これを行うために、私たちは、複雑な生物学的システムを探索するのに一般的に使用される技術を使用します。いくつかの歩行研究ボット8,9を歩いて10 -have動物のいずれかの複雑な11または非常に単純化された12の機械的モデルに基づいてされて水泳の時間。研究者は、大きなパラメータ空間13-15を探索することを可能にしながら、一般的に、ロボットプラットフォームは、モデルシステムの本質を保持しています。常にシステム全体を特徴づけるものではないが、多くの機関車システムの単一のコンポーネントを分離するこれらのプラットフォームを通じて学習されています。例えば、非定常プロパルサの基本的な機能は、carangiform水泳中に尾鰭の掃引前後のように、激しくピッチングおよび/またはヒービングパネル12,16,17,18の実験調査を通じて検討されています。ここでは、その動物ベースの研究ができない方法でこの複雑な動きの特定のモードを分離することができます。推進のそれらの基本的な側面は、その後の進化が提供する生物学的な複雑さを必要としない車両の設計に使用することができます。

<p class=本論文では "jove_content">、我々はアシカの推力生産行程の '拍手'相を探索するための新たなプラットフォームを提示します。単一foreflipper-」roboflipper'が-されるプラットフォームに含まれます。その形状は、カリフォルニアアシカ(Zalophus californianus)試料の生物学的スキャンから正確に導出されます。 roboflipperは、以前の研究1由来動物のの動きを再現するように作動されます。このロボットフリッパーは得ることができ、水泳アシカの流体力学的性能を調査し、動物実験、大型水生哺乳類の特により広いパラメータ空間を探索するために使用されます。

Protocol

1.シーライオンForeflipperの標本をデジタル化海のライオンforeflipperの検体をスキャンします。 死亡した個体( 図1a)からアシカフリッパーの標本を取得します。 注:この例では、それらはワシントンD.C.でスミソニアン動物園から入手しました (foreflipperは、動物の体に付着する)、その基部から垂直にforeflipperがハングします。この両方は、スキャン時にフリッ…

Representative Results

上記のプロセスは、カリフォルニアアシカforeflipperのロボットモデルを生成します。モデルは、2つの異なる方法で使用することができます。一つはrootのみ( 図 6a)でフリッパーを作動させることによってです。この場合、駆動モータは、第一関節の回転速度を設定したが、フリッパーの結果として生じる動きは、可撓性フリッパおよび周囲?…

Discussion

ロボットフリッパー装置は、私たちが泳いカリフォルニアアシカの流体力学を理解することができるようになります。これは、基本的な推力生産ストローク( '拍手')、ならびに動物実験で調査することはできません非物理的な変化を含んでいます。ロボットフリッパーは、このように、実験的な汎用性のためのステップ3-フリッパー自体が目的の結果を得るために重要な-で作られて?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to thank the George Washington University Facilitating Fund for financial support of the project. Mr. Patel is grateful the George Washington University School of Engineering and Applied Science Summer Undergraduate Program in Engineering Research and the Undergraduate Research award for financial support. Finally, we are grateful to the GWU Center for Biomemetics and Bioinspired Engineering (COBRE) for use of facilities controlled by the center.

Materials

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 0.1mm
Artec Spider Artec 3D 3D light scanner with resolution of 0.5mm
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).

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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).

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