Automatic Translation

This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Engineering

Een Robotic Platform aan de Foreflipper van de Californische zeeleeuw Studie

1, 1, 1, 1

1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Article
    Downloads Comments Metrics Publish with JoVE

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    Enter your email to receive a free trial:

    Welcome!

    Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!


    By clicking "Submit", you agree to our policies.

    Admit it, you like to watch.

     

    Summary

    Een robot platform wordt beschreven dat zal worden gebruikt om de hydrodynamische prestatie-krachten en flowfields-van het zwemmen Californische zeeleeuw bestuderen. De robot is een model van foreflipper van het dier dat wordt aangedreven door motoren om de beweging van de voortstuwende slag (de 'druiper') te repliceren.

    Date Published: 1/10/2017, Issue 119; doi: 10.3791/54909

    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).

    Abstract

    De Californische zeeleeuw (Zalophus californianus), is een flexibele en krachtige zwemmer. In tegenstelling tot vele succesvolle zwemmers (dolfijnen, tonijn), genereren ze het grootste deel van hun stuwkracht met hun grote voorste zwempoten. Dit protocol beschrijft een robot platform ontworpen om de hydrodynamische prestatie van het zwemmen Californische zeeleeuw (Zalophus californianus) te bestuderen. De robot is een model van foreflipper van het dier dat wordt aangedreven door motoren om de beweging van de voortstuwende slag (de 'druiper') te repliceren. De kinematica van voortstuwende beroerte de zeeleeuw worden geëxtraheerd uit video-gegevens van ongemarkeerde, non-onderzoek zeeleeuwen in het Smithsonian Zoological Park (SNZ). Deze gegevens vormen de basis van de bediening beweging van de robot flipper hier gepresenteerd. De geometrie van de robot flipper is gebaseerd op een hoge-resolutie laser scan van een foreflipper van een volwassen vrouwelijke zeeleeuw, geschaald naar ongeveer 60% van de full-scale flipper. De gelede model heeft drie joints, het nabootsen van de elleboog, pols en vingerkootje van de zeeleeuw foreflipper. De robot platform past dynamiek eigenschappen-getal van Reynolds en tip snelheid van het dier bij het accelereren vanuit stilstand. De robot flipper kan worden gebruikt om de prestaties (krachten en momenten) en verkregen flowfields bepalen.

    Introduction

    Terwijl wetenschappers de basiskenmerken van zeeleeuwen zwemmen (energetica, de kosten van vervoer, luchtweerstand, lineaire snelheid en acceleratie 1-3 hebben onderzocht, missen we informatie over de vloeistofdynamica van het systeem. Zonder deze kennis, beperken we potentiële high-speed , hoge wendbaarheid technische toepassingen aan body-staartvin (BCF) voortbeweging modellen 4. Door het karakteriseren van een andere zwemmen paradigma, hopen we onze catalogus van design tools, met name die welke de mogelijkheden uit te breiden naar rustiger, stealthier vormen van zwemmen mogelijk te maken. Zo bestuderen we de fundamentele mechanisme van de zeeleeuwen zwemmen door middel van directe observatie van de Californische zeeleeuw en laboratoriumonderzoek met behulp van een robot zeeleeuw foreflipper 5,6.

    Een robot platform 7: Om dit te doen, zullen we een veelgebruikte techniek voor het verkennen van complexe biologische systemen in dienst. Verschillende studies motoriek-both van het lopen 8,9 en zwemmen 10 -Heb gebaseerd op zowel complexe 11 of sterk vereenvoudigde 12 mechanische modellen van dieren. Typisch, de robotplatformen behouden de essentie van het modelsysteem, terwijl onderzoekers grote Parameterruimten 13-15 verkennen. Hoewel niet altijd het hele systeem te karakteriseren, wordt veel geleerd door deze platforms dat één onderdeel van een locomotief systeem te isoleren. Bijvoorbeeld, de fundamentele werking schommelende voortstuwers, zoals de heen-en-weer vegen van een staartvin tijdens carangiform zwemmen, is intensief onderzocht door middel van experimenteel onderzoek naar pitching en / of deinende panelen 12,16,17,18. In dit geval kunnen we bepaalde wijzen van deze complexe bewegingen manier die dierlijk onderzoek kan niet isoleren. Die fundamentele aspecten van de voortstuwing kan vervolgens worden gebruikt in het ontwerp van voertuigen die niet nodig de biologische complexiteit evolutie biedt.

    (Zalophus californianus) exemplaar. De roboflipper wordt bediend om de beweging van de dieren afkomstig van eerdere studies 1 repliceren. Deze robot flipper wordt gebruikt om de hydrodynamische prestatie van het zwembad zeeleeuw onderzoeken en een grotere parameterruimte dan dierstudies name grote zeezoogdieren staand, kan opleveren.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Protocol

    1. digitaliseren van een specimen van een Zeeleeuw Foreflipper

    1. Scan een specimen van een Zeeleeuw foreflipper.
      1. Het verkrijgen van een exemplaar van een zeeleeuw flipper van een overleden persoon (figuur 1a).
        LET OP: In ons geval, waren ze afkomstig van het Smithsonian Zoological Park in Washington, DC
      2. Hang de foreflipper verticaal van de basis (wanneer de foreflipper hecht aan het lichaam van het dier). Dit maakt zowel de flipper rechte wanneer gescand, en onthult het gehele oppervlak te scannen.
      3. Scan flipper behulp van een hoge-resolutie gestructureerde licht scanner met een nauwkeurigheid van ongeveer 0,5 mm en onjuiste ongeveer 0,1 mm (Figuur 1b).
    2. Importeer de puntenwolk in CAD-software en maken het als een oppervlak. Om dit te doen, klikt u op 'Open' en selecteer het gewenste .obj bestand. Klik op 'Import' om het bestand te importeren in de CAD-software.
    3. Manipuleren van de resulterende puntenwolk met behulpeen computer-aided design (CAD) software door te klikken op Extruded cut 'en het uitsnijden van het vlees deel (ongewenste gedeelte) van de scan. Klik vervolgens op 'Scale' naar de juiste schaal voor de robot flipper (68% van de volledige grootte) te verkrijgen. Inspecteer flipper voor voldoende detail vast te leggen door het te vergelijken met de oorspronkelijke monster (figuur 2).
    4. Maak de schimmel rond de flipper.
      1. In een CAD-software, gebruik dan de flipper oppervlakken een mal door het creëren van een omringende volume rond de flipper oppervlak te vormen. Doe dit door het extruderen van een rechthoekig blok door te klikken op 'Sketch' om een ​​rechthoek te tekenen en vervolgens extruderen dat het meer dan de hoogte van de flipper volledig omvatten het.
      2. Klik op 'Assembly' en beide delen (flipper en rechthoekige blok) importeren in het werkgebied. Klik op 'Mate' en maak de voor- en bovenvlak van zowel de flipper en schimmels als samenvallend. Dit plaatst automatisch de flipper in de mal.
      3. Select de mal van de design tree en klik op 'Edit Part'. Zodra het onderdeel wordt geselecteerd, klikt u op 'Invoegen> Features> Cavity' om een ​​holte van de flipper in de mal te maken. Schets een lijn in het midden van de rechthoekige vorm en klik op 'Split' om twee delen van hetzelfde hout gesneden te vormen.
      4. Klik op 'Cut Part' naar de omliggende volume te scheiden in twee delen voor gemakkelijke flipper extractie. Plaats holtes en pinnen op elke helft van het volume en opslaan als deel één en twee van de flipper mal (figuur 3).
      5. Omzetten van de '.SLDRPT' bestanden van de mal om 'STL'. Importeer deze bestanden naar de eigen software van de 3D-printer en klik op 'Afdrukken' om de 3D-gedrukte vorm te genereren.

    2. Ontwerp de botten

    1. Open de digitale foreflipper in een CAD-software en het verkrijgen van een beeld van de Zeeleeuw foreflipper botstructuur ter referentie (zoals Figuur1 in het Engels, 1977 19).
    2. Ontwerp Drie verschillende stukken die de botstructuur die past binnen het digitaal model van de foreflipper na te bootsen. In deze procedure, "base" verwijst naar het uiteinde van een deel dichter bij de basis van de foreflipper en "tip" verwijst naar het uiteinde van het deel dichter bij het uiteinde van de foreflipper.
      1. Base Piece
        1. Maak de lengte van dit stuk evenredig met de afstand tussen het schoudergewricht en de pols van de Zeeleeuw flipper (metingen worden verkregen met behulp van meetlint). Doe dit met behulp van een CAD-software door te klikken op 'Sketch' en het ontwerpen van de vorm van de basis stuk (figuur 4).
        2. knokkels aan beide uiteinden van het deel toe te voegen door te klikken op 'Sketch' en het trekken van twee cirkels. Klik op 'Boss Extrude' op de gewenste lengte extruderen van het vlak van de basis stuk. Klik op de schets van de kleinere cirkel in het extruderen te snijden door te klikken op 'Cut Extrude' te makenruimte voor de as. Om deze gezamenlijke versterken, klikt u op 'Fillet' om de scherpe gewrichten glad.
          OPMERKING: De afmetingen van de cirkels afhankelijk van de grootte van de as te gebruiken tijdens de montage de flipper bovenop het water goot. In ons geval, de diameter van de kleinste cirkel is 0,5 inch en de grotere cirkel 1 inch. Het basiseinde zal zitten buiten de flipper huid geometrie, zodat de grootte van de knokkels niet onder de beperkingen van de huid vallen.
      2. Middle Piece
        1. Maak de lengte van dit stuk evenredig met de afstand tussen het polsgewricht en de scharnierverbinding van een Zeeleeuw. Doe dit door te klikken op 'Sketch' en schetsen van de gewenste vorm (zoals weergegeven in figuur 4b) op een vliegtuig. Zodra de geometrie is ontworpen, klikt u op 'Diepte' om de fundamentele driedimensionale vorm van het middenstuk te krijgen. Voer de geëxtrudeerde lengte als 0,1650 inch.
          LET OP: De gewenste vorm van het middenstukin ons experiment is een trapezium met een hoogte van 2,25 inch en de lengte van de twee bases als respectievelijk 1,625 en 0,850 inches.
        2. knokkels toevoegen aan beide uiteinden. Doe dit zoals beschreven in stap 2.2.1.2. De diameter van de geëxtrudeerde cut is 0,125 inches. Sluit de knokkels op de basis einde te maken aan het uiteinde van de basis stuk met een axel om een ​​scharnier die het polsgewricht te vormen.
          OPMERKING: De gewrichten moeten passen in het volume van de foreflipper, dus dienovereenkomstig te ontwerpen.
        3. Voeg een toren ongeveer 1 cm in hoogte aan het uiteinde van het stuk aan beide zijden.
          1. Om een ​​toren toe te voegen, klik op 'Sketch' en schetsen een rechthoek op de basis van het model. de sketch extruderen door de schets te selecteren en te klikken op 'Boss Extrude'. De dikte van de toren in dit specifieke geval is 0,165 inches.
          2. Klik op 'Fillet' en selecteer het model en een rand van de geëxtrudeerde toren. Dit versterkt de scherpe gezamenlijke waar de toren en de base van het middenstuk zijn aangesloten. Het is goed als de toren uitsteekt uit de geometrie van de huid. De toren moet dik genoeg zijn om de krachten die ontstaan ​​tijdens een flipper klap te weerstaan. Zie Figuur 4 voor referentie.
      3. Tip Piece
        1. Maak de lengte van dit stuk evenredig met de afstand tussen de scharnierverbinding en het uiteinde van de langste vinger van een bot Zeeleeuw. Doe dit door te klikken op 'Sketch' en schetsen een gewenste vorm op een vliegtuig. Zodra de geometrie is ontworpen, klik op extruderen om de fundamentele driedimensionale vorm van de tip stuk te krijgen.
        2. knokkels toevoegen aan beide uiteinden. Doe dit zoals beschreven in stap 2.2.1.2. De diameter van de geëxtrudeerde snede moet gelijk zijn aan de diameter van de as, die in dit experiment is 0,125 inches. De knokkels op het basiseinde wordt aangesloten op het uiteinde van het middenstuk met een as van een scharnier die de scharnierverbinding vormen. De geometrie van deze KNUckles moet passen in de geometrie van de foreflipper huid, zodat dienovereenkomstig te ontwerpen.
        3. Voeg een toren ongeveer 1 cm in hoogte aan het basiseinde van het stuk aan beide zijden. Doe dit beschreven in stap 2.2.2.3. De dikte van de toren in dit specifieke geval is 0,165 inches. Het is goed als de toren uitsteekt uit de geometrie van de huid. De toren moet dik genoeg zijn om de krachten die ontstaan ​​tijdens een flipper klap te weerstaan. Zie figuur 5 voor referentie.

    3. Het creëren van een Flipper

    1. 3D-printen het skelet (basis, midden en tip stuks) van de flipper. Omzetten van de '.SLDRPT' bestand van CAD naar '.STL' en importeren in proprietary software van de printer en klik op 'Afdrukken'.
      NB: De drukkerij instructies zijn verschillend voor elke printer.
      1. Versterking van de knokkels van de middelste en de tip stuk met een lijm (epoxy) en koolstof draden. Om dit te doen, snijd carbop de draden van de lengte 0,750 inches. Breng de lijm aan de 3D-gedrukte botstructuren en leg de draden over de knokkels. Het is niet nodig om de grote knokkels het basisstuk (figuur 5a) te versterken.
      2. Boorgaten onderaan elke toren de diameter van het koord Kevlar (tekenreeksen die worden gebruikt om de verbindingen te bedienen).
      3. Verzamel alle botdelen aan elkaar van basis tot punt met behulp van assen. Doe dit door het plaatsen van alle componenten op een vlakke tafel zoals weergegeven in figuur 4. Om de basis en middenstuk sluit, lijnt de knokkels van de onderdelen en steek de as. Gebruik dezelfde techniek om het midden en de tip stuk met elkaar te verbinden. Met een kleefmiddel op elk uiteinde van elke as aan de as zorgen niet beweegt lateraal (figuur 5b).
      4. Gesneden plastic buizen naar de volgende lengte. Snijd vier buizen de lengte van de basis beenstuk (L 1 = 8 cm) en twee buizen de lengte van het middenstuk (L2 = 6 cm).
      5. Knip 4 stukken Kevlar koord, elke 3 voet lang.
      6. Schuif één snaar door middel van een L 1 tube en vervolgens een L 2 buis. Schuif andere string door middel van een L 1 tube. Herhaal het proces met de resterende buizen en koorden.
      7. Plaats de buizen bovenop de botstructuren en gebruik een doorzichtige tape om deze tijdelijk in positie houden. Met behulp van een lijm, plak de buizen op de botstructuur en verwijder vervolgens de tapes.
        Opmerking: Er is geen specifieke plaats waar de buizen moeten worden geplaatst, de kritische aspect is ze gewoon plakken op het oppervlak van de structuur. Gebruik Figuur 5c als leidraad.
      8. Rijg de Kevlar snaar van L 1 tube en L2 buis door de gaten geboord op de punt en de middelste stukken zoals beschreven in stap 3.1.2. Maak een kleine maar stevige knoop zodra de string is door het gat (Figuur 5d).
    2. Het toevoegen van de huid van de flipper tot een uiteindelijke flipper maken.
      1. Meet 200 ml silop en silicium medium in twee verschillende containers.
      2. Giet beide vloeistoffen in een stalen kom. Voeg thinner (10% van het gewicht van het totale mengsel niet boven) aan het mengsel gemakkelijke gieten en mengen.
      3. Gebruik een mixer om het mengsel grondig te mengen gedurende 3-4 min. Kleur kan in deze stap om de gewenste visuele effecten te bereiken worden toegevoegd. Als een stand mixer niet beschikbaar is, gebruik dan een garde om het te mengen, zorg ervoor dat de zijkanten en de bodem van de container te schrapen.
      4. Steek een staaf in de knokkels van het basisdeel en lijn met de knokkels van de flipper mal. Wanneer de pinnen passen in de holten van de matrijs, wordt de botstructuur perfect uitgelijnd in de flipper mal. Houd de twee delen van schimmel, zet de onderdelen met een klem voor extra compressie (deze stap is kritisch, dat de silicium mengsel niet lekt uit de tussenruimte tussen de twee delen).
      5. Zodra het mengsel wordt gemengd, giet het in de matrijs tot de bovenste knokkelsvan de botstructuur. Sijpelen vloeistof uit het onderste gat in de matrijs is een teken van het mengsel steeds gelijkmatig verdeeld. Aan het begin van deze, sluit het gat om verdere stroming van de vloeistof te voorkomen. Laat de vloeistof uit te harden gedurende vier uur voor het verwijderen van de flipper robot uit de matrijs (zie figuur 6).

    4. Montage

    1. Aan het siliciumatoom foreflipper op het water goot (figuur 7) te monteren, maakt een bevestigingsstructuur. Een CAD weergave van het afgewerkte samenstel wordt getoond. (Figuur 8).
      1. Ontwerp een plaat met een zorgvuldig geëxtrudeerd gesneden met behulp van CAD-software. Klik op 'Sketch' en teken een rechthoek met afmetingen 14 x 19 inches (de hoogte is niet van belang omdat de laser cutter maakt gebruik van een DWG-bestand). Gebruik een rechthoekige plaat van staal als de basis om deze plaat te vervaardigen. Upload een tweedimensionale tekening van de CAD software op een computer die met een stalen laser cutter om de gewenste cuts te bereiken.
        LET OP: This plaat herbergt de motor en de verlaging van het zorgt voor de katrol systeem te laten werken. De breedte van de plaat is gelijk aan de breedte van de goot water, waardoor het gemakkelijker om de plaat over de goot te schuiven. Dit type stage helpt bij het eenvoudig verwijderen van de montage-assemblage van onderdelen of de foreflipper model vervangen.
      2. Bevestig de foreflipper en de poelie op een as, die dia's in een driehoekige truss.
        OPMERKING: Een drie-katrolsysteem wordt geïmplementeerd om het koppel / vermogen overdragen van de motor naar de stang.
      3. Gebruik lagers aan beide zijden van de stang soepel draaien helpen. Om de beweging van de stang in de laterale richting beperken, plaatst stelringen aan elk uiteinde van de as.
    2. Stel de beweging van de flipper door de jogging-functie selecteren op de bestuurder. Door op de 'Up' knop draait de flipper met de klok mee en 'Down' knop draait de flipper tegen de klok in. De driver zorgt voor een verandering van de omwentelingen per minuut van de motoras volgens de instructies in de handleiding 20.
    3. Plaats de rechthoekige poort kleurstof in het water en verhoog de druk op het kleursysteem. Stel de snelheid van de kleurstof Freestream de snelheid van het water, zodat de kleurstof verschijnt als een gladde filament. Draai de flipper, zodat de kleurstof in wisselwerking en wordt gevangen met de resulterende wervels gegenereerd.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    De hierboven beschreven werkwijze levert een robot model van een Californische zeeleeuw foreflipper. Het model kan worden gebruikt op twee verschillende manieren. Een daarvan is door het bedienen van de flipper alleen bij de wortel (figuur 6a). In dit geval is de aandrijfmotor wordt de rotatiesnelheid van de eerste verbinding, maar de resulterende beweging van de flipper wordt bepaald door het fluïdum-structuur interactie tussen de flexibele flipper en het omliggende water. Bovendien kunnen we robot vinnen die op de twee onderste verbindingen worden bekrachtigd evenals de root (figuur 6b) te creëren. Dit wordt gedaan door middel van de toren structuren gedrukt op het skelet stukken. Draden aangesloten op de torens zijn verbonden met de motoren te scheiden en kan actief de camber van de flipper te controleren tijdens de klappen beweging.

    Het doel van de robot flipper is de h staandydrodynamics van de voortstuwende slag van de Californische zeeleeuw zoals beschreven in Friedman, 2014 1. Een manier om dit te doen, kwalitatief, is door middel van dye-based stroom visualisatie. De flipper robot is gemonteerd op een recirculerende water goot (figuur 7), volgens de hierboven beschreven samenstel. De motor en de stroomsnelheid wordt ingesteld op een bepaalde parameter ruimte zoals het Reynoldsgetal gebaseerd op de flipper akkoord staand (Re = Cu / ν waarbij ν is de dynamische viscositeit van water) of hoeksnelheid ω of versnelling, α .

    De kleurstof visualisatie figuur 9 gebruikt fluorescente kleurstof geïnjecteerd juist stroomopwaarts van de voorrand van de flipper. De kleurstof wordt meegevoerd in de afschuiving laag aan het oppervlak van de flipper en kunnen we de vortex structuur van het kielzog visualiseren. Figuur </ strong> 9a toont de stroom van kleurstof geïnjecteerd stroomopwaarts (rechts) van de flipper. De verstoringen gezien aan de linkerzijde van het beeld zijn het resultaat van de vorige cyclus. Aangezien de flipper via de injectieplaats (figuur 9b) bewogen, lage druk op het bovenoppervlak van de flipper veroorzaakt dat de kleurstof zich strak rond de flipper. Tot slot (figuur 9c), een vortex formulieren als de flipper beweegt volledig uit het vliegtuig. Deze structuur convects stroomafwaarts met de gemiddelde stroming. Deze resultaten tonen hoe deze techniek gebruikt kan worden om kwalitatief bepalen FlowField rond een zeeleeuw tijdens de voortstuwende beroerte.

    Naast de kwalitatieve metingen van de flipper wake, kunnen we particle beeld velocimetry (PIV) om het snelheidsveld rond de flipper meten. Zo kunnen we kwalitatieve gegevens over de hydrodynamische verkrijgens van de zeeleeuw zwemmen voor een verscheidenheid van reproduceerbare situaties.

    Figuur 1
    Figuur 1: Flipper Bottom Vergelijking. Een links foreflipper uit een monster van een vrouwelijke Californische zeeleeuw wordt gebruikt om geometrische parameters van de robot flipper te bepalen. Het bovenste paneel (a) is een hoge resolutie, twee-dimensionale afbeelding van de flipper. Het onderste paneel (b) is een driedimensionaal, computer-aided design weergave van de flipper van de laser scan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Figuur 2
    Figuur 2: Wire. De digitale afbeelding van het gescande flipper behoudenis de geometrische kenmerken van foreflipper van het dier. Dit beeld toont een wire-frame weergave van de digitale flipper. Negen gelijkmatig dwarsdoorsneden grijs weergegeven (elke centimeter van de basis naar de punt van de foreflipper). De twee isometrische aanzichten (doorsnede 1 en 7) laten zien dat de flipper heeft een aërodynamische-achtige vorm, met een dikkere, afgeronde leading edge. De flipper is gewelfd, met zijn bovenvlak boller en het binnenste oppervlak concave. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 3
    Figuur 3: Mold. De mal gebruikt voor het flexibele deel van de robot flipper te creëren wordt gemaakt op basis van de gescande flipper specimen. De mal bestaat uit twee delen: een bovenste (paars) en een onderste deel (groen) die zijn afgestemd op de mannelijke en female posten, respectievelijk. De robot skelet (figuur 4) uitgelijnd in de mal voordat de silicium mengsel in de gietvorm wordt gegoten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 4
    Figuur 4: Skeleton. De flexibele robot flipper wordt ondersteund door een skelet gedrukt drie delen: de basis (a), het midden (b) en de punt (c). De basis en het midden en het midden-en tip, zijn verbonden door deuvels door de knokkels aan hun gewrichten. Dit zorgt voor flexibiliteit over die plaatsen van de voltooide flipper. Klik hier om een grotere versie van deze Figu bekijkenopnieuw.

    figuur 5
    Figuur 5: Skelet Vergadering. Na het afdrukken skeletdelen de knokkels versterkt met carbon draden (a) en verbinden de knokkels met assen (b), een gids-buizen zijn bevestigd aan de basis en middendelen (c) en Kevlar draden worden aangesloten de torens (d). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 6
    Figuur 6: Robotic Flipper. De robot flipper is gemaakt van flexibel siliconen (wit) met een ingebedde plastic draagconstructie (blauw). De as aan de basis draait, emuleren de rotatie bij de elleboog en de schouder van het dier. De robotachtige flipper kan passief zijn (a), wanneer het alleen wordt geactiveerd bij de wortel en de resulterende beweging is gebaseerd fluïdum-structuur interacties of actieve (b) wanneer Kevlar draden verbinden met de knokkels verschaffen de noodzakelijke wijzigingen in camber. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 7
    Figuur 7: Flume. Flow experimenten worden uitgevoerd in het recirculerende water goot in het George Washington University. De goot heeft een werkinggedeelte van 0,60 (breedte) van 0,40 (diepte) meter, 10 meter lang, en kan draaien op stromingssnelheden tot 1 m / s. Flow is van rechts naar links, in de figuur. De robot flipper is gemonteerd met behulp van het samenstel getoond in Figu8 opnieuw op de rails aan de bovenzijde van het testtraject. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Figuur 8
    Figuur 8: Vergadering. De robot flipper is gemonteerd op een recirculatie goot met een aangepaste montage. De bevestiging heeft een servomotor die is verbonden met de hoofdas van de robot flipper (aan de basis van de robot flipper) door een riem en drie poelies. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 9
    Figuur 9: Dye visualisatie. fluorescentkleurstof wordt geïnjecteerd door een buis stroomopwaarts van de wapperende flipper. Drie gevallen van tijd getoond: (a) het begin van de cyclus; t = 0, (b) 40% van de weg door de cyclus T = 0,4, en (c) na 80% van de cyclustijd t = 0,8. In het rechterpaneel (c), kunnen we een vortex die is gevormd rond de punt van het flappen robot flipper zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    De robot flipper apparaat zal ons toelaten om de hydrodynamica van het zwemmen Californische zeeleeuw begrijpen. Dit omvat de fundamentele stuwkracht producerende slag (de "klap"), alsmede niet-fysieke variaties die dierproeven niet kunnen onderzoeken. Robotachtige flipper is ontworpen voor experimentele veelzijdigheid dus stap 3 waarbij de flipper zelf is gemaakt-kritisch in het verkrijgen van de gewenste resultaten. Hoewel dit apparaat is duidelijk, maar een model van het levende systeem, in situ studies van de Californische zeeleeuw zijn uiterst moeilijk en het bereik van mogelijke data is vrij beperkt.

    Terwijl soms mogelijk, snelheidsveld metingen op grote waterdieren zijn zeer moeilijk (bv ongetrainde dieren, niet-onderzoekskwaliteit kijkglas, geen invloed op het milieu) en de fouten zijn hoger dan 21 laboratoriumexperimenten. Voorts zij toegang tot de dieren die vereisenvaak onmogelijk te verkrijgen en in dergelijke gevallen robot platforms zoals degene die we gebouwd zorgen voor diepgaand onderzoek. In aanvulling op het repliceren van het levende systeem zo getrouw mogelijk, robotachtig modellen stellen ons in staat om het in onrealistische manieren aan te passen. Bijvoorbeeld kan de vorm worden aangepast aan de achterrand morfologie te veranderen. Of de textuur van het oppervlak worden veranderd om de rol van de microstructuur van de zwemprestaties onderzoeken.

    Het gebruik van een robotplatform voor het uitvoeren van een biologisch systeem te onderzoeken geeft volledig beeld van dit systeem is een beperking van deze benadering. Bovendien is dit bepaald protocol isoleert de foreflipper van de rest van de zeeleeuw lichaam. Zo zal de resultaten niet over een volledig beeld van het systeem en het Body flipper interacties. Verdere beperkingen omvatten de homogene eigenschappen van de flipper en onder wijs bediening (in tegenstelling tot de gedistribueerde bediening van musculoskelatal sysTEMS). Bovendien, dit materiaal voldoet en kan leiden tot vloeistof-wand-interacties die niet in de fysieke systeem. Dit wordt geminimaliseerd door materialen die nauw bootsen algemene biologische eigenschappen, maar nooit volledig worden gecontroleerd. Ondanks deze beperkingen, kan veel worden geleerd door het vergelijken van de prestaties van de verschillende activatie modes en stromingscondities.

    De robot flipper zullen de basis vormen van een rijke onderzoeksproject dat inzicht zal geven in de fundamentele fysica van een unieke paradigma van efficiënte zwemmen-de Californische zeeleeuw vormen. Het platform is flexibel, en elke flipper kan snel worden gemaakt met minimale kosten. Aldus kan een grote parameterruimte worden getest als nieuw onderzoek vragen rijzen.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    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

    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).

    Comments

    0 Comments

    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter