ومنصة الروبوتية لدراسة Foreflipper من أسد البحر كاليفورنيا
Summary
يوصف منصة الروبوتية التي سيتم استخدامها لدراسة الهيدروديناميكية الأداء القوى وflowfields للسباحة كاليفورنيا أسد البحر. الروبوت هو نموذج للforeflipper الحيوان التي دفعتها من المحركات لتكرار الحركة من السكتة الدماغية الدافعة لها ( "التصفيق").
Abstract
أسد البحر كاليفورنيا (Zalophus californianus)، هو السباح رشيقة وقوية. على عكس العديد من السباحين الناجحة (الدلافين، والتونة)، التي تولد أكثر من حاجتهم مع foreflippers الكبيرة. يصف هذا البروتوكول منصة الروبوتية صممت لدراسة أداء الهيدروديناميكية للسباحة كاليفورنيا أسد البحر (Zalophus californianus). الروبوت هو نموذج للforeflipper الحيوان التي دفعتها من المحركات لتكرار الحركة من السكتة الدماغية الدافعة لها ( "التصفيق"). يتم استخراج الكينماتيكا من السكتة الدماغية الدافعة للأسد البحر من بيانات الفيديو من تحمل علامات وأسود البحر غير بحثية في حديقة حيوان سميثسونيان (SNZ). وتشكل هذه البيانات الأساس للحركة يشتغل من زعنفة الروبوتية المقدمة هنا. الهندسة للزعنفة الروبوتية يستند المسح بالليزر على عالية الدقة من foreflipper شخص بالغ الأسد الإناث البحر، تدرج إلى حوالي 60٪ من زعنفة واسعة النطاق. نموذج مفصلية ثلاثة يoints، ومحاكاة الكوع والرسغ ومفصل مفصل من foreflipper أسد البحر. منصة روبوتية مباريات خصائص رينولدز ديناميات عدد وغيض السرعة للحيوان عند التسارع من السكون. وزعنفة الروبوتية يمكن استخدامها لتحديد أداء (قوى وعزم الدوران) والناتجة flowfields.
Introduction
في حين أن العلماء حققت الخصائص الأساسية للبحر للسباحة الأسد (علم الطاقة، وتكاليف النقل، ومعامل السحب والسرعة الخطية و1-3 التسارع، وأننا نفتقر إلى المعلومات حول ديناميات الموائع للنظام، وبدون هذه المعرفة، ونحن لحد المحتملة عالية السرعة والتطبيقات الهندسية العالية على المناورة لزعنفة الأحيائي نماذج تحرك الجسم الذيلية (4). وبحلول تميز نموذج السباحة المختلفة، ونحن نأمل في توسيع موقعنا التسويقي من أدوات التصميم، وتحديدا أولئك الذين لديهم القدرة على تمكين أكثر هدوءا، أشكال التخفي السباحة. وهكذا ، نقوم بدراسة آلية أساسية من السباحة أسد البحر من خلال الملاحظة المباشرة للأسد البحر كاليفورنيا والفحوص المختبرية باستخدام أسد البحر الروبوتية foreflipper 5،6.
للقيام بذلك، ونحن سوف تستخدم تقنية تستخدم عادة لاستكشاف النظم البيولوجية المعقدة: منصة روبوتية 7. عدة تنقل دراسات بوت ح من المشي والسباحة 8،9 10 -have تم على أساس إما المعقدة 11 أو مبسطة للغاية 12 النماذج الميكانيكية للحيوانات. عادة، ومنصات الروبوتية تحتفظ جوهر النظام النموذجي، في حين يسمح للباحثين لاستكشاف مساحات كبيرة المعلمة 13-15. في حين لم يكن دائما تميز النظام بأكمله، والكثير وتعلمت من خلال هذه المنابر أن عزل مكون واحد من الجهاز الحركي. على سبيل المثال، عمل أساسي من propulsors متقلب، مثل ذهابا وإيابا تجتاح من الزعنفة الذيلية أثناء السباحة carangiform، وقد تم اكتشاف مكثف من خلال التحقيقات التجريبية من نصب و / أو لوحات الرفع 12،16،17،18. في هذه الحالة، يمكننا عزل وسائط معينة من هذه الحركة المعقدة بطرق أن الدراسات الحيوانية لا يمكن. ويمكن بعد ذلك تلك الجوانب الأساسية للدفع استخدامها في تصميم المركبات التي لا تحتاج يوفر تطور التعقيد البيولوجي.
<p class="jove_content"> في هذه الورقة، نقدم منصة جديدة لاستكشاف "التصفيق" مرحلة من أسد البحر التوجه المنتجة للالسكتة الدماغية. و-foreflipper "roboflipper'-يتم تضمين فقط واحد في المنصة. ويستمد هندسته بالضبط من المسح البيولوجية للأسد البحر كاليفورنيا (Zalophus californianus) عينة. ودفعتها للroboflipper لتكرار حركة الحيوانات المستمدة من الدراسات السابقة 1. وسوف تستخدم هذه زعنفة الروبوتية للتحقيق في أداء الهيدروديناميكية للأسد البحر للسباحة واستكشاف الفضاء المعلمة أوسع من الدراسات على الحيوانات، ولا سيما من الثدييات المائية الكبيرة، يمكن أن تسفر.Protocol
Representative Results
Discussion
فإن جهاز زعنفة الروبوتية تسمح لنا أن نفهم الهيدروناميكا من السباحة كاليفورنيا أسد البحر. ويشمل ذلك إنتاج الاتجاه الأساسية السكتة الدماغية (في "التصفيق")، وكذلك الاختلافات غير المادية التي الدراسات على الحيوانات لا يمكن التحقيق. وقد تم تصميم زعنفة الروبوتية لبر…
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
- 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).
