En robot plattform er beskrevet som skal brukes til å studere de hydrodynamiske performance-krefter og Flowfields-av svømme californiasjøløve. Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp ').
Den californiasjøløve (Zalophus californianus), er en smidig og kraftig svømmer. I motsetning til mange vellykkede svømmere (delfiner, tunfisk), genererer de fleste av sine fremstøt med sine store foreflippers. Denne protokollen beskriver en robot plattform designet for å studere den hydrodynamiske ytelsen til svømming californiasjøløve (Zalophus californianus). Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp '). Kinematikken over havet bror propulsiv slag er hentet fra videodata av umerkede, ikke-forskningssjøløver ved Smithsonian Zoological Park (SNZ). Disse data danner basis for aktiveringen bevegelse av robotsmekkpresentert her. Geometrien av robot flipper bygger en på høyoppløselig laserskanning av et foreflipper av en voksen kvinne sjøløve, skalert til ca 60% av fullskala flipper. Ledd modellen har tre joints, etterligne albue, håndledd og rste ledd av sjøløve foreflipper. Robot plattform kamper dynamikk egenskaper-Reynolds tall og tips speed-av dyret ved akselerasjon fra stillestående. Robot flipper kan brukes til å bestemme ytelsen (krefter og momenter) og resulterende Flowfields.
Mens forskere har undersøkt de grunnleggende egenskapene til sjø løve svømming (energetics, transportkostnader, luftmotstandskoeffisient, lineær hastighet og akselerasjon 1-3, mangler vi informasjon om fluiddynamikk i systemet. Uten denne kunnskapen, begrenser vi potensialet høyhastighets høy manøvrerbarhet tekniske applikasjoner til kroppshalefinnen (BCF) locomotion modeller 4. Ved å karakterisere et annet svømming paradigme, håper vi å utvide vår katalog av designverktøy, spesielt de med potensial til å aktivere roligere, stealthier former for svømming. Dermed studerer vi den grunnleggende mekanismen av sjøløve svømming gjennom direkte observasjon av californiasjøløve og laboratorieundersøkelser ved hjelp av en robot sjøløve foreflipper 5,6.
For å gjøre dette, vil vi ansette en mye brukt teknikk for å utforske komplekse biologiske systemer: en robot plattform 7. Flere locomotion studier-both av å gå 8,9 og svømming 10 -har vært basert på enten komplekse 11 eller svært forenklede 12 mekaniske modeller av dyr. Vanligvis robot plattformer beholde essensen av modellsystemet, samtidig som forskere å utforske store parameter mellomrom 13-15. Selv om det ikke alltid å karakterisere hele systemet, mye læres gjennom disse plattformene som isolerer en enkelt komponent av et lokomotiv system. For eksempel, den grunnleggende funksjon av ustø propulsors, som det frem-og-tilbake feiing av en halefinnen under carangiform bading, er blitt intenst undersøkt ved eksperimentelle undersøkelser av stamping og / eller duvende paneler 12,16,17,18. I dette tilfellet, kan vi isolere enkelte av denne komplekse bevegelser på en måte som animalske studier ikke kan. De grunnleggende aspekter av fremdrift kan deretter brukes i utformingen av kjøretøy som ikke trenger den biologiske kompleksitet utviklingen gir.
<p class="Jove_content"> I denne artikkelen presenterer vi en ny plattform for å utforske "klapp" fase av sjøløve thrust-produserende slag. Bare en enkelt foreflipper-den 'roboflipper'-er inkludert i plattformen. Dens geometri er avledet nøyaktig fra biologiske skanninger av en californiasjøløve (Zalophus californianus) prøven. Den roboflipper aktiveres for å gjenskape den bevegelse av dyrenes avledet fra tidligere studier 1. Denne robot flipper vil bli brukt til å undersøke hydrodynamiske ytelse av svømme sjøløve og for å utforske et større parameter plass enn dyrestudier, særlig de store vannlevende pattedyr, kan gi.Robot flipper apparat vil tillate oss å forstå hydrodynamikk i svømming californiasjøløve. Dette inkluderer den grunnleggende trykkproduserende slag (den "klapp '), så vel som ikke-fysiske varianter som dyrestudier ikke kan undersøke. Robot flipper har blitt designet for eksperimentell allsidighet, og dermed steg 3-der flipper selv er laget-er kritisk i å få de ønskede resultater. Selv om dette apparatet er klart, bare en modell av levende system, in situ studier av californiasjøløve er eks…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |