Une plate-forme robotique pour étudier la Foreflipper de la mer Lion Californie
Summary
Une plate-forme robotique est décrite qui sera utilisée pour étudier les performances-forces et flowfields-de la piscine otarie de Californie hydrodynamiques. Le robot est un modèle de foreflipper de l'animal qui est actionné par des moteurs pour reproduire le mouvement de sa course propulsive (le «clap»).
Abstract
Le lion de mer de Californie (Zalophus de californianus), est un nageur agile et puissant. Contrairement à de nombreux nageurs réussis (les dauphins, le thon), ils génèrent plus de leur poussée avec leurs grandes nageoires antérieures. Ce protocole décrit une plate – forme robotique conçu pour étudier la performance hydrodynamique de la natation otarie de Californie (Zalophus californianus). Le robot est un modèle de foreflipper de l'animal qui est actionné par des moteurs pour reproduire le mouvement de sa course propulsive (le «clap»). La cinématique de la course propulsive du lion de mer sont extraites des données vidéo non marquées, non-recherche lions de mer au parc zoologique du Smithsonian (SNZ). Ces données constituent la base du mouvement d'actionnement de la palme robotique présenté ici. La géométrie du Flipper robotique est basé un balayage d'un foreflipper d'un adulte mer femelle lion, réduite à environ 60% de la palme pleine échelle laser à haute résolution. Le modèle articulé comporte trois joints, imitant l'articulation du coude, du poignet et de jarret de la foreflipper de lions de mer. La plate-forme robotique correspond à la dynamique des propriétés Reynolds nombre et la pointe de vitesse de l'animal lors de l'accélération du repos. Le Flipper robotique peut être utilisé pour déterminer la performance (forces et couples) et flowfields résultant.
Introduction
Alors que les scientifiques ont étudié les caractéristiques de base de lion de mer piscine (energetique, coût du transport, coefficient de traînée, la vitesse linéaire et l' accélération 1-3, nous manquons d' informations sur la dynamique des fluides du système. Sans cette connaissance, nous limitons à haute vitesse potentielle , les applications d'ingénierie de haute manoeuvrabilité à ailettes (BCF) modèles de locomotion du corps-caudale 4. en caractérisant un paradigme de natation différent, nous espérons étendre notre catalogue d'outils de conception, en particulier ceux qui ont le potentiel pour permettre aux plus calmes, les formes furtives de la natation. Ainsi , nous étudions le mécanisme fondamental de la natation de lions de mer par l' observation directe du lion de mer en Californie et des examens de laboratoire en utilisant un lion de mer robotique foreflipper 5,6.
Pour ce faire, nous allons utiliser une technique couramment utilisée pour explorer les systèmes biologiques complexes: une plate – forme robotique 7. Plusieurs études locomotion-both de la marche et la natation 8,9 10 -ont été basée soit sur le complexe 11 ou très simplifiées 12 modèles mécaniques des animaux. En règle générale, les plates – formes de robots conservent l'essence du système modèle, tout en permettant aux chercheurs d'étudier les grands espaces de paramètres 13-15. Bien que pas toujours caractériser l'ensemble du système, beaucoup est appris par ces plates-formes qui isolent un seul composant d'un système de locomotive. Par exemple, le fonctionnement fondamental de propulsors instables, comme le dos-et-vient balayer d'une nageoire caudale lors de la natation carangiform, a été intensément explorée au moyen d' enquêtes expérimentales de tangage et / ou panneaux de soulèvement 12,16,17,18. Dans ce cas, nous pouvons isoler certains modes de ce mouvement complexe de façon à ce que les études sur les animaux en fonction ne peut pas. Ces aspects fondamentaux de la propulsion peuvent ensuite être utilisés dans la conception de véhicules qui ne nécessitent pas l'évolution de la complexité biologique fournit.
<p class="Jove_content"> Dans cet article, nous présentons une nouvelle plate-forme pour explorer le «coup» phase du lion de mer poussée produisant un AVC. Un seul foreflipper-le «roboflipper'-est inclus dans la plate-forme. Sa géométrie est dérivée exactement des analyses biologiques d'un lion de mer de Californie (Zalophus de californianus) de l' échantillon. Le roboflipper est actionné pour reproduire le mouvement des animaux »provenant d'études précédentes 1. Ce flipper robotique sera utilisé pour étudier la performance hydrodynamique de la piscine lion de mer et d'explorer un espace de paramètres plus large que les études animales, en particulier celles des grands mammifères aquatiques, peut donner.Protocol
Representative Results
Discussion
L'appareil de Flipper robotique va nous permettre de comprendre les hydrodynamisme de la natation otarie de Californie. Cela comprend la production de poussée course de base (le «clap»), ainsi que des variations non-physiques que les études sur les animaux ne peuvent pas enquêter. Le Flipper robotique a été conçu pour la polyvalence expérimentale, donc, étape 3 où le Flipper est lui-même fait-est essentiel pour obtenir les résultats souhaités. Bien que cet appareil est, clairement, simplement un modèl…
Divulgations
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
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