Een Robotic Platform aan de Foreflipper van de Californische zeeleeuw Studie
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.
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.
<p class="Jove_content"> In deze paper presenteren we een nieuw platform voor het verkennen van de 'klap' fase van de zeeleeuw stuwkracht producerende beroerte. Slechts één foreflipper the "roboflipper'-is opgenomen in het platform. De geometrie precies afkomstig van biologische scans van een Californische zeeleeuw (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.Protocol
Representative Results
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 st…
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).
