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 JoVE Engineering

Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren

1, 1, 1, 1

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

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    Summary

    Ein Roboter-Plattform beschrieben, die verwendet wird, um die hydrodynamischen Performance-Kräfte und Strömungsfelder-des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu studieren. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die "klatschen") zu replizieren.

    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

    Der kalifornische Seelöwe (Zalophus californianus), ist ein agiles und leistungsstarke Schwimmer. Im Gegensatz zu vielen erfolgreichen Schwimmer (Delfine, Thunfisch), erzeugen sie die meisten ihrer Schub mit ihren großen foreflippers. Dieses Protokoll beschreibt eine Roboter - Plattform , um die hydrodynamische Leistung des Schwimm Kalifornien Seelöwe (Zalophus californianus) zu studieren entworfen. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die "klatschen") zu replizieren. Die Kinematik des Vortriebs Hub des Seelöwen aus Videodaten von nicht markierten, nicht-Forschung Seelöwen am Smithsonian Zoological Park (SNZ) extrahiert. Diese Daten bilden die Grundlage der Betätigungsbewegung des Roboter Wulstfahne hier vorgestellt. Die Geometrie des Roboter Flipper basiert eine auf hochauflösenden Laser-Scan eines foreflipper eines erwachsenen weiblichen Seelöwe, skaliert auf etwa 60% des Full-Scale-Flipper. Die gelenkige Modell hat drei junkte, imitiert den Ellenbogen, Handgelenk und Knöchelgelenk des Seelöwe foreflipper. Die Roboter-Plattform passt Dynamik Eigenschaften-Reynolds-Zahl und Geschwindigkeit der Spitze-des Tieres, wenn aus der Ruhe zu beschleunigen. Die Roboter-Kippflügel verwendet werden, um die Leistung (Kräfte und Momente) und die daraus resultierenden Strömungsfelder zu bestimmen.

    Introduction

    Während Wissenschaftler die grundlegenden Eigenschaften von Seelöwen schwimmen untersucht (Energetik, Transportkosten, Luftwiderstandsbeiwert, Lineargeschwindigkeit und Beschleunigung 1-3 fehlen uns Informationen über die Fluiddynamik des Systems. Ohne dieses Wissen wir Potenzial High-Speed - Begrenzung Hoch Manövrierfähigkeit Engineering - Anwendungen auf Körperschwanzflosse (BCF) Lokomotion Modelle 4. Durch ein anderes Schwimmen Paradigma zu charakterisieren, hoffen wir , unseren Katalog von Design - Tools zu erweitern, und zwar mit dem Potenzial , jene leiser, stealthier Formen Schwimmen zu ermöglichen. So untersuchen wir die grundlegenden Mechanismen von Seelöwen schwimmen durch direkte Beobachtung des Löwen Kalifornien Meer und Laboruntersuchungen einen Roboter - Seelöwe foreflipper 5,6 verwendet wird .

    Um dies zu tun, werden wir eine häufig verwendete Technik für die Erforschung komplexer biologischer Systeme verwenden: eine Roboterplattform 7. Mehrere Lokomotion Studien-both von 8,9 Fuß und Schwimmen 10 -Haben auf beiden Komplex 11 oder stark vereinfachte 12 mechanische Modelle von Tieren basiert. Normalerweise halten die Roboter - Plattformen , um die Essenz des Modellsystems, während es den Forschern erlaubt große Parameterräume 13-15 zu erkunden. Obwohl es nicht immer das gesamte System zu charakterisieren, viel wird über diese Plattformen gelernt, die eine einzelne Komponente eines Bewegungsapparates zu isolieren. Zum Beispiel ist die grundlegende Funktionsweise der instationären propulsors, wie der Rücken-und Her einer Schwanzflosse während carangiform Schwimmen fegen, wurde durch experimentelle Untersuchungen von Nick- und / oder wogenden Platten 12,16,17,18 intensiv erforscht. In diesem Fall können wir bestimmte Modi dieses komplexe Bewegung in einer Weise zu isolieren, dass Tierbasierte Studien nicht. Diese grundlegenden Aspekte der Antriebs kann dann in der Konstruktion von Fahrzeugen verwendet werden, die brauchen nicht die biologische Evolution Komplexität bietet.

    (Zalophus californianus) Probe. Die roboflipper betätigt , um die Bewegung der Tiere aus früheren Studien 1 abgeleitet zu replizieren. Diese Roboterwender werden verwendet, um die hydrodynamischen Leistung des Schwimm Seelöwen zu untersuchen und einen größeren Parameterraum als Tierstudien zu erforschen, insbesondere der großen Meeressäuger, ergeben können.

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    Protocol

    1. Digitalisieren einer Probe eines Sea Lion Foreflipper

    1. Scannen Sie ein Exemplar eines Seelöwe foreflipper.
      1. Besorgen Sie sich ein Exemplar von einem Seelöwen Flosse von einer verstorbenen Person (Abbildung 1a).
        HINWEIS: In unserem Fall wurden sie von der Smithsonian Zoological Park in Washington, DC erhalten
      2. Hängen Sie den foreflipper vertikal von der Basis (wo die foreflipper auf den Körper des Tieres befestigt). Dies erlaubt sowohl die Flosse gerade sein, wenn gescannt und belichtet die gesamte Oberfläche für das Scannen.
      3. Scan Wulstfahne eine hochauflösende strukturierte Lichttaster, mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 mm, und Fehler von etwa 0,1 mm (1b) verwendet wird .
    2. Importieren Sie die Punktwolke in CAD-Software und machen sie als Fläche. Um dies zu tun, klicken Sie auf "Öffnen" und wählen Sie die gewünschte OBJ-Datei. Klicken Sie auf "Importieren", um die Datei in die CAD-Software zu importieren.
    3. Manipulieren die resultierende Punktwolke mitein Computer-Aided Design (CAD) Software auf 'Extruded Schnitt "durch einen Klick und das Fleisch Teil (unerwünschten Teil) des Scan Ausschneiden. Danach klicken Sie auf 'Skalieren' die entsprechende Skalierung für den Roboter-Flosse (68% der vollen Größe) zu erhalten. Überprüfen Sie Flipper für ausreichend detaillierte Erfassung von auf die ursprüngliche Probe zu vergleichen (Abbildung 2).
    4. Erstellen Sie die Form um den Flipper.
      1. In einer CAD-Software verwenden, um die Flosse Flächen eine Form zu bilden, indem eine umgebende Volumen um die Flosse Oberfläche. Tun Sie dies durch einen rechteckigen Block Extrudieren durch einen Klick auf 'Sketch' ein Rechteck zu zeichnen und Extrudieren es dann mehr als die Höhe des Flippers es vollständig zu umfassen.
      2. Klicken Sie auf "Versammlung" und importieren Sie beide Teile (Flossen- und rechteckigen Block) in den Arbeitsbereich. Klicken Sie auf "Mate" und machen die vorderen und oberen Ebene sowohl der Flosse und Form, wie sie übereinstimmend. Dies stellt automatisch den Schläger in der Form.
      3. Select der Form aus dem Design Baum und klicken Sie auf 'Teil bearbeiten ". Sobald der Teil ausgewählt ist, klicken Sie auf "Einfügen> Eigenschaften> Cavity" innerhalb der Form einen Hohlraum des Flippers zu machen. Skizzieren Sie eine Linie in der Mitte der rechteckigen Form und klicken Sie auf 'Split' zwei Teile derselben Form zu bilden.
      4. Klicken Sie auf 'Cut Part' das umgebende Volumen in zwei Teile für einfache Flipper Extraktion zu trennen. Legen Sie Hohlräume und Zapfen auf jeder Hälfte des Volumens und speichern Sie es als Teil eins und zwei der Flosse Form (Abbildung 3).
      5. Konvertieren Sie die '.SLDRPT' Dateien der Form '.STL-'. Importieren Sie diese Dateien auf die proprietäre Software des 3D-Drucker und klicken Sie auf "Drucken" die 3D-Druckgussform zu erzeugen.

    2. Aufbau der Knochenstruktur

    1. Öffnen Sie die digitale foreflipper in einer CAD-Software und erhalten ein Bild des Seelöwe foreflipper Knochenstruktur als Referenz (wie Zahl1 in Englisch, 1977 19).
    2. Entwerfen Sie drei verschiedene Stücke, die die Knochenstruktur nachahmen, die innerhalb des digitalen Modells des foreflipper passen. In diesem Verfahren, "Basis" bezieht sich auf das Ende eines Teils näher an der Basis des foreflipper und "Spitze" bezieht sich auf das Ende des Teils näher an der Spitze des foreflipper.
      1. Basisstück
        1. Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Schultergelenk und das Handgelenk des Seelöwe Flippers (Messungen werden mit Maßband). Tun Sie dies , eine CAD - Software , indem Sie auf 'Sketch' und der Gestaltung der Form des Grundstücks (Abbildung 4).
        2. In Knöchel an den beiden Enden des Teils durch einen Klick auf 'Sketch' und zeichnen zwei Kreise. Klicken Sie auf "Boss extrudieren", um die gewünschte Länge aus der Ebene des Grundstücks zu extrudieren. Klicken Sie auf die Skizze des kleineren Kreises in die extrudieren schneiden von 'Cut extrudieren "klicken, umRaum für die Welle. Um dieses gemeinsame stärken, klicken Sie auf "Fillet" die scharfen Gelenke zu glätten.
          HINWEIS: Die Abmessungen der Kreise abhängig von der Größe der Welle während der Montage des Flipper auf dem Wasserkanal verwendet werden. In unserem Fall ist der Durchmesser des kleineren Kreises von 0,5 Zoll und die größeren Kreis 1 Zoll. Das Basisende wird außerhalb der Flosse Haut Geometrie sitzen, so dass die Größe der Knöchel unter den Zwängen der Haut nicht fallen.
      2. Mittelstück
        1. Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Handgelenk und dem Gelenkkopf eines Seelöwen. Tun Sie dies , indem Sie auf 'Sketch' und skizzieren die gewünschte Form (wie in 4b gezeigt) auf einer Ebene. Sobald die Geometrie ausgebildet ist, klicken Sie auf "extrudieren", um die grundlegende dreidimensionale Form des Mittelstücks erhalten. Geben Sie die extrudierte Länge als 0,1650 Zoll.
          HINWEIS: Die gewünschte Form des Mittelstücksin unserem Experiment ist ein Trapez mit einer Höhe von 2,25 Zoll und die Länge der beiden Basen als 1,625 und 0,850 Zoll auf.
        2. Hinzufügen Knöchel an beiden Enden. Tun Sie dies, wie in Schritt 2.2.1.2 beschrieben. Der Durchmesser des extrudierten Schnitt 0,125 Zoll. Verbinden der Knöchel an dem Basisende zu dem Spitzenende des Basisteils mit einem axel ein Scharnier zu bilden, das Handgelenk darstellt.
          HINWEIS: Die Knöchel müssen innerhalb des Volumens des foreflipper passen, so entsprechend zu gestalten.
        3. In einem Turm etwa 1 cm in der Höhe bis zur Spitze Ende des Stückes auf beiden Seiten.
          1. Um einen Turm hinzuzufügen, klicken Sie auf 'Sketch' und ein Rechteck auf der Basis des Modells skizzieren. Extrudieren die Skizze durch die Skizze auswählen und auf "Boss extrudieren". Die Dicke des Turms in diesem besonderen Fall ist 0,165 Zoll.
          2. Klicken Sie auf "Fillet" und wählen Sie das Modell und eine Kante des extrudierten Turm. Dies stärkt die scharfe gemeinsame wo der Turm und die base des Mittelstücks verbunden sind. Es ist in Ordnung, wenn der Turm von der Geometrie der Haut herausragt. Der Turm sollte dick genug sein, um die Kräfte, die während eines Flippers klatschen aushalten zu können. Siehe Abbildung 4 Referenz.
      3. Spitzenstück
        1. Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Gelenkkopf und der Spitze des längsten Fingerknochen eines Seelöwen. Tun Sie dies, indem Sie auf 'Sketch' und Skizzieren einer gewünschten Form auf einer Ebene. Sobald die Geometrie ausgelegt ist, klicken Sie auf extrudieren, um die grundlegende dreidimensionale Form der Spitze Stück bekommen.
        2. Hinzufügen Knöchel an beiden Enden. Tun Sie dies, wie in Schritt 2.2.1.2 beschrieben. Der Durchmesser des extrudierten Schnitt sollte dem Durchmesser der Achse, die in diesem Experiment ist 0,125 Zoll betragen. Die Knöchel an dem Basisende mit einer Achse an dem vorderen Ende des Mittelstücks verbunden werden, um ein Scharnier zu bilden, die Gelenkverbindung darstellt. Die Geometrie dieser knuckles muß innerhalb der Geometrie der foreflipper Haut, so entwerfen entsprechend zu passen.
        3. In einem Turm etwa 1 cm in der Höhe an dem Basisende des Stücks auf beiden Seiten. Tun Sie dies in Schritt 2.2.2.3 beschrieben. Die Dicke des Turms in diesem besonderen Fall ist 0,165 Zoll. Es ist in Ordnung, wenn der Turm von der Geometrie der Haut herausragt. Der Turm sollte dick genug sein, um die Kräfte, die während eines Flippers klatschen aushalten zu können. Siehe Abbildung 5 Referenz.

    3. Erstellen eines Flipper

    1. 3D-Druck das Skelett (Basis, Mitte und Spitze Stücke) des Flippers. Konvertieren Sie die '.SLDRPT' Datei von CAD zu ".STL- 'und importieren Sie es in die proprietäre Software des Druckers und klicken Sie auf' Drucken '.
      HINWEIS: Die Druckanweisungen für jeden Drucker unterschiedlich sind.
      1. Stärkung der Knöchel des mittleren und Spitzenstück mit einem Kleber (Epoxy) und Carbonfäden. Um dies zu tun, schneiden carbauf Fäden der Länge 0,750 Zoll. Klebstoff auf den 3D-Druck Knochenstrukturen und legen die Fäden über den Knöcheln. Es ist nicht erforderlich , die große Knöcheln auf dem Basisteil (5a) zu verstärken.
      2. Die Bohrungen an der Unterseite jeder Turm, den Durchmesser der Kevlar-String (Zeichenfolgen, die verwendet werden, um die Gelenke zu betätigen).
      3. Montieren Sie alle Knochenteile zusammen von der Basis unter Verwendung von Achsen zu kippen. Tun Sie dies , indem Sie alle Komponenten auf einen flachen Tisch platzieren , wie in Abbildung 4 dargestellt. Um die Basis und Mittelstück verbinden, richten Sie die Knöchel der Teile und die Achse ein. Verwenden Sie die gleiche Technik, um die Mitte und das Spitzenstück miteinander zu verbinden. Verwenden Sie einen Klebstoff an jedem Ende jeder Achse die Achse , um sicherzustellen , nicht seitlich (5b) zu bewegen.
      4. Schneiden Sie Plastikröhrchen auf die folgende Länge. Cut vier Röhren die Länge des Basisknochenstück (L 1 = 8 cm) und zwei Röhren die Länge des Mittelstücks (L 2 = 6 cm).
      5. Schneiden Sie 4 Stück Kevlar String, je 3 Meter in der Länge.
      6. Schieben Sie eine Schnur durch einen L - 1 Rohr und dann eine L 2 Rohr. Schieben Sie eine andere Zeichenfolge durch eine L 1 Röhre. Wiederholen Sie den Vorgang mit den restlichen Rohren und Saiten.
      7. Die Röhrchen auf der Oberseite der Knochenstrukturen und ein klareres Band um sie in Position vorübergehend zu halten. Mit Hilfe eines Klebstoffs, kleben Sie die Rohre auf die Knochenstruktur und dann die Bänder entfernen.
        Hinweis: Es gibt keine spezifische Position, in der die Rohre angeordnet werden, der kritische Aspekt ist, kleben sie nur auf der Oberfläche der Struktur. Verwenden 5c als Richtlinie.
      8. Führen Sie die Kevlar - String aus L 1 Rohr und L 2 Rohr durch die Bohrungen auf die Spitze und Mittelstücke , wie in Schritt 3.1.2 beschrieben. Machen Sie einen kleinen , aber sicheren Knoten , wenn die Zeichenfolge das Loch (Abbildung 5d) ist durch.
    2. Hinzufügen der Haut des Flippers eine endgültige Wulstfahne zu schaffen.
      1. Messung 200 ml silicauf und Silizium Medium in zwei verschiedenen Behältern.
      2. Gießen Sie diese beiden Flüssigkeiten in eine Stahlschale. Hinzufügen Verdünner (nicht 10% des Gewichts der Gesamtmischung übersteigt) zu dem Gemisch zur einfachen Gießen und Mischen.
      3. Verwenden Sie einen Standmixer die Mischung gründlich 3 zu mischen - 4 min. Farbe kann in diesem Schritt zugesetzt werden, um die gewünschten visuellen Effekte zu erzielen. Wenn ein Standmixer nicht verfügbar ist, verwenden Sie einen Schneebesen zu mischen, wobei darauf geachtet, die Seiten und den Boden des Behälters zu kratzen.
      4. Legen Sie eine Stange in den Knöcheln des Basisteils und richten Sie sie an den Knöcheln des Flippers Form. Wenn die Zapfen in die Hohlräume der Form passen, wird die Knochenstruktur perfekt in der Wulstfahne Form ausgerichtet. Während an den beiden Teilen der Form gedrückt, um die Teile zu sichern durch eine Klammer für zusätzliche Kompression (dieser Schritt ist entscheidend, so dass das Silizium-Gemisch nicht aus dem Spalt zwischen den beiden Teilen leckt).
      5. Sobald die Mischung gemischt wird, es sorgfältig in die Form gießen, bis die oberste Knöchelder Knochenstruktur. Nässen von Flüssigkeit aus dem unteren Loch in der Form ist ein Zeichen der Mischung gleichmäßig verteilt zu werden. Zu Beginn dieser, schließen Sie das Loch eine weitere Strömung der Flüssigkeit zu vermeiden. Lassen Sie die Flüssigkeit vier Stunden aushärten , bevor der Flipper - Roboter aus der Form zu entfernen (siehe Abbildung 6).

    4. Montage

    1. Um die Silizium foreflipper auf dem Wasser Gerinne (Abbildung 7) montieren, erstellen Sie eine Montagestruktur. Ein CAD-Darstellung der fertigen Baugruppe gezeigt. (Abbildung 8).
      1. Entwerfen Sie eine Platte mit einem sorgfältig extrudierten Schnitt mit CAD-Software. Klicken Sie auf 'Sketch' und zeichnen Sie ein Rechteck mit den Abmessungen 14 x 19 Zoll (die Höhe spielt keine Rolle, wie die Laser-Cutter eine DWG-Datei verwendet). Verwenden Sie ein rechteckiges Blatt aus Stahl als Basis, um diese Platte herzustellen. Laden Sie eine zweidimensionale Zeichnung aus dem CAD-Software auf einem Computer zu einem Stahllaserschneider angebracht, um die gewünschten Schnitte zu erreichen.
        HINWEIS: This Platte Häuser der Motor und der Schnitt in es ermöglicht das Rollensystem zu arbeiten. Die Breite der Platte ist, die der Breite des Wasser Gerinne gleich, wodurch es leichter, die Platte über der Rinne gleiten kann. Diese Art der Anordnung hilft bei der ein einfaches Entfernen der Befestigungsanordnung Teile oder foreflipper Modell zu ersetzen.
      2. Befestigen Sie die foreflipper und die Riemenscheibe auf einer Welle, die in einem dreieckigen Fachwerk gleitet.
        HINWEIS: Ein Drei-Rollen-System implementiert, um die Drehmoment / Kraft vom Motor auf die Stange zu übertragen.
      3. Verwenden Lagern auf beiden Seiten der Stange zu helfen, sanft zu drehen. Um die Bewegung der Stange in der Querrichtung beschränken, legen Wellenringe an jedem Ende der Welle.
    2. Stellen Sie die Bewegung der Flosse durch die Auswahl der Jogging-Funktion auf den Fahrer. Durch Drücken der Taste "Nach oben" dreht die Flosse im Uhrzeigersinn und die "Down" Taste dreht die Flosse gegen den Uhrzeigersinn. Der Fahrer kann die Umdrehungen pro Minute des Motors für den WandelWelle nach den Anweisungen im Handbuch 20.
    3. Legen Sie die rechtwinkligen Farbstoff-Port in das Wasser und erhöhen den Druck auf das Farbstoffsystem. Die Geschwindigkeit des Farbstoffes auf die Anströmgeschwindigkeit des Wassers so der Farbstoff als eine einzige glatte Filament erscheint. Drehen Sie den Flipper, so dass der Farbstoff in Wechselwirkung tritt und wird mit den resultierenden Wirbel erzeugt gefangen.

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    Representative Results

    Das oben beschriebene Verfahren ergibt ein Robotermodell eines Seelöwen foreflipper Kalifornien. Das Modell kann auf zwei verschiedene Arten verwendet werden. Einer ist durch die Betätigung der Flosse nur an der Wurzel (Abbildung 6a). In diesem Fall setzt sich der Antriebsmotor, die Drehgeschwindigkeit des ersten Gelenks, aber die sich ergebende Bewegung der Flosse durch die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen zwischen dem flexiblen Wulstfahne und das umgebende Wasser bestimmt. Zusätzlich können wir robotic Flossen erzeugen , die an den beiden unteren Gelenke neben der Wurzel (6b) betätigt werden. Dies wird durch die Turmstrukturen getan auf den Skelettstücken gedruckt. Drähte an den Türmen verbunden sind angeschlossenen Motoren zu trennen, und die Wölbung der Flosse während des Klatschen Bewegung aktiv steuern.

    Der Zweck des Roboter-Flipper ist die h zu erkundenydrodynamics des propulsiven Hub des Seelöwen Kalifornien wie in Friedman, 2014 1 beschrieben. Eine Möglichkeit, dies zu tun, qualitativ, ist durch farbstoffbasierte Strömungsvisualisierung. Die Roboter - Flosse ist mit einem Wasserkreislauf Gerinne (7) angebracht ist , unter Verwendung der oben beschriebenen Anordnung. Der Motor und die Strömungsgeschwindigkeit, eingestellt auf einen Parameter platz wie der Reynolds - Zahl auf der Basis der Flosse Akkord (Re = cU / ν wobei ν die dynamische Viskosität von Wasser ist) zu erkunden oder Winkelgeschwindigkeit, ω oder Beschleunigung, α .

    Die Farbstoff Sichtbarmachung in Figur 9 gezeigt verwendet Fluoreszenzfarbstoff direkt stromaufwärts von der Vorderkante der Flosse injiziert. Der Farbstoff wird an der Oberfläche der Flosse in die Scherschicht mitgerissene und ermöglicht es, die Wirbelstruktur des Nachstroms zu visualisieren. Abbildung </ strong> 9a zeigt den Strom der Farbstoff (rechts) injiziert stromaufwärts ist, der Flosse. Die Störungen auf der linken Seite des Bildes zu sehen sind das Ergebnis des vorherigen Zyklus. Da der Flosse durch die Injektionsstelle (9b) bewegt wird , niedriger Druck auf der oberen Oberfläche der Flosse verursacht der Farbstoff um die Flosse gezogen werden. Schließlich (Figur 9c), eine Wirbel Formen als den Flipper bewegt vollständig außerhalb der Ebene. Diese Struktur convects stromabwärts mit der mittleren Strömungs. Diese Ergebnisse zeigen, wie diese Technik verwendet werden kann, um qualitativ bestimmen die Strömungsfeld rund um einen Seelöwen während der Vortriebs Schlaganfall.

    Neben den qualitativen Messungen des Flippers wake, können wir Particle Image Velocimetry (PIV) das Geschwindigkeitsfeld rund um den Flipper zu messen. So können wir qualitative Daten über den hydrodynamischen erhaltens von Seelöwen schwimmen für eine Vielzahl von Situationen reproduzierbar.

    Abbildung 1
    Abbildung 1: Flipper Bottom - Vergleich. Eine linke foreflipper von einer Probe eines weiblichen Seelöwen Kalifornien wird verwendet, um die Roboter Flippers geometrischen Parameter zu bestimmen. Die obere Platte (a) ist eine hochauflösende, zweidimensionale Bild des Flippers. Die untere Tafel (b) eine dreidimensionale, Computer-Aided Design - Rendering des Kippflügels aus dem Laserscan. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 2
    Abbildung 2: Draht. Das digitale Bild des abgetasteten Wulstfahne behaltens die geometrischen Merkmale des Tieres foreflipper. Dieses Bild zeigt eine Drahtrahmenansicht des digitalen Flipper. Neun gleichmäßig verteilte Querschnitte sind in grau (jeden Zentimeter von der Basis bis zur Spitze des foreflipper) gezeigt. Die zwei isometrische Ansichten (Querschnitt 1 und 7) zeigen, dass die Flosse ein Strömungsprofil artige Form aufweist, mit einer dickeren, abgerundeten Vorderkante. Die Flosse ist gewölbt, mit seiner oberen Fläche mehr konvex und seiner inneren Oberfläche konkav. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 3
    Abbildung 3: Mold. Die verwendete Form der flexiblen Teil des Roboter-Flipper zu erzeugen, ist aus den gescannten Flipper Probe erstellt. Die Form besteht aus zwei Teilen: einem oberen (lila) und einen unteren Abschnitt (grün), die mit männlichen und fem ausgerichtet sindale Beiträge sind. Der Roboter Skelett (Figur 4) ist im Inneren der Form ausgerichtet , bevor der Siliziumgemisch in die Form gegossen wird. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Abbildung 4
    Abbildung 4: Skeleton. Die Basis (a), der Mitte (b) und der Spitze (c): der flexible Roboter Wulstfahne wird durch ein Skelett in drei Stücke gedruckt unterstützt. Die Basis und die Mitte und die Mitte und Spitze, werden durch Dübel durch Knöchel an den Gelenken verbunden sind. Dies ermöglicht eine Flexibilität zu den Stellen des vervollständigten Wulstfahne. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieses figu anzuzeigenRe.

    Abbildung 5
    Abbildung 5: Skeleton Versammlung. Nach dem Drucken werden die Skelettteile, die Knöchel mit Carbonfäden verstärkt (a), werden sie an den Knöcheln mit axels (b), Führungsrohre sind an der Basis und Mittelstücke (c) und Kevlarfäden verbunden sind befestigt mit die Türme (d). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 6
    Abbildung 6: Roboter - Flipper. Die Roboter-Kippflügel ist aus flexiblem Silikon (weiß) mit einem eingebetteten Kunststoff-Tragstruktur (blau) durchgeführt. Die Welle an der Basis dreht, Emulation der rotation am Ellbogen und Schulter des Tieres. Die Roboter - Flosse kann passiv (a) sein, wo es nur an der Wurzel und die resultierende Bewegung wird Fluid-Struktur - Interaktionen auf Basis von oder aktiv betätigt wird (b) , wo Kevlar Drähte verbinden , um die Knöchel , die notwendigen Änderungen des Sturzes bieten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    7
    Abbildung 7: Flume. Flow-Experimente sind in Umlaufwasser Gerinne an der George Washington University durchgeführt. Das Gerinne hat einen Arbeitsabschnitt von 0,60 (Breite) von 0,40 (Tiefe) Metern, ist 10 Meter lang und kann bei Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1 m / s laufen. Strömung von rechts nach links in der Figur. Die Roboter - Flosse angebracht ist , in Figu gezeigt , dass die Montage durchre 8 an den Schienen an der Spitze der Teststrecke. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Abbildung 8
    Abbildung 8: Montage. Die Roboter-Flosse ist mit einem benutzerdefinierten Montage an einem umlaufenden Gerinne montiert. Die Befestigung hat einen Servomotor, der zur Hauptachse des Roboter Wulstfahne (befindet sich an der Wurzel des Roboter Wulstfahne) über einen Riemen und drei Riemenscheiben verbunden ist. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    9
    Abbildung 9: Dye - Visualisierung. FluoreszierendFarbstoff wird vor dem Schlag Wulstfahne durch ein Rohr injiziert. Drei Instanzen der Zeit dargestellt sind: (a) den Beginn des Zyklus t = 0, (b) 40% des Weges durch den Zyklus t = 0,4, und (c) nach 80% des Zyklus t = 0,8. Im rechten Bereich (c), können wir einen Wirbel zu sehen , die um die Spitze des Schlagroboter Flipper gebildet hat. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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    Discussion

    Die Roboter-Flippergerät ermöglicht es uns, die Hydrodynamik des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu verstehen. Dazu gehört auch die grundsätzliche Ausrichtung der Herstellung Hub (die "clap"), sowie nicht-physischen Veränderungen, die Tierversuche nicht untersuchen können. Die Roboter-Flipper ist für experimentelle Vielseitigkeit entwickelt, damit Schritt 3, wo der Flosse selbst konfektionierten ist von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Während diese Vorrichtung ist klar, nur ein Modell des lebenden Systems, sind in - situ - Untersuchungen der kalifornischen Seelöwen extrem schwierig und die Bandbreite der möglichen Daten ist sehr begrenzt.

    Während manchmal möglich, Geschwindigkeitsfeldmessungen an großen Wassertiere sind sehr schwer (zB untrainierte Tiere, nicht-Forschungsqualität Schauglas, keine Kontrolle über die Umwelt) und die Fehler sind höher als Laborexperimente 21. Darüber hinaus erfordern sie den Zugang zu den Tieren, die istoft unmöglich zu erhalten, und in solchen Fällen Roboterplattformen, wie wir sie für eingehende Untersuchungen erlauben gebaut. Neben dem lebenden System so getreu wie möglich zu replizieren, Robotermodelle ermöglichen uns in unrealistische Weise zu modifizieren. So kann beispielsweise die Form modifiziert werden, um die Hinterkante Morphologie zu verändern. Oder kann die Textur der Oberfläche verändert werden, um die Rolle der Mikrostruktur auf der Schwimmleistung zu untersuchen.

    Die Verwendung einer Roboter-Plattform, um die Leistung eines biologischen System zu untersuchen, gibt nur eine Teilansicht des Systems, das ist eine Beschränkung dieses Ansatzes. Darüber hinaus ist diese besondere Protokoll isoliert die foreflipper vom Rest des Seelöwen Körper. Somit werden die Ergebnisse nicht einen vollständigen Überblick über das System bieten und den Körper-Flipper-Interaktionen. Weitere Einschränkungen sind die homogenen Eigenschaften des Flippers und punktweise Betätigung (wie die verteilte Betätigung von musculoskelatal sys gegenNetze). Zusätzlich ist das Material nachgiebig und kann Fluid-Struktur-Wechselwirkungen führen, die in dem physikalischen System nicht vorhanden sind. Dies wird durch die Verwendung von Materialien minimiert, dass die Gesamt biologischen Eigenschaften eng replizieren, können aber nie vollständig gesteuert werden. Trotz dieser Einschränkungen kann wesentlich durch den Vergleich der Leistung der verschiedenen Aktivierungsmoden und Strömungsbedingungen erfahren werden.

    Die Roboter-Flipper wird die Grundlage eines reichen Forschungsprojekt bilden, die einen Einblick in die Grundlagen der Physik eines einzigartigen Paradigma der effizienten Schwimm der kalifornischen Seelöwen bieten. Die Plattform ist flexibel, und jede Flosse kann schnell mit minimalen Kosten hergestellt werden. Somit kann ein großer Parameterraum getestet werden, wie neue Forschungsfragen entstehen.

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    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).
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