En robot plattform å studere Foreflipper av California Sea Lion

Summary

En robot plattform er beskrevet som skal brukes til å studere de hydrodynamiske performance-krefter og Flowfields-av svømme californiasjøløve. Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp ').

Abstract

Den californiasjøløve (Zalophus californianus), er en smidig og kraftig svømmer. I motsetning til mange vellykkede svømmere (delfiner, tunfisk), genererer de fleste av sine fremstøt med sine store foreflippers. Denne protokollen beskriver en robot plattform designet for å studere den hydrodynamiske ytelsen til svømming californiasjøløve (Zalophus californianus). Roboten er en modell av dyrets foreflipper som aktiveres ved hjelp av motorer for å gjenskape den bevegelse av sitt drivslag (den "klapp '). Kinematikken over havet bror propulsiv slag er hentet fra videodata av umerkede, ikke-forskningssjøløver ved Smithsonian Zoological Park (SNZ). Disse data danner basis for aktiveringen bevegelse av robotsmekkpresentert her. Geometrien av robot flipper bygger en på høyoppløselig laserskanning av et foreflipper av en voksen kvinne sjøløve, skalert til ca 60% av fullskala flipper. Ledd modellen har tre joints, etterligne albue, håndledd og rste ledd av sjøløve foreflipper. Robot plattform kamper dynamikk egenskaper-Reynolds tall og tips speed-av dyret ved akselerasjon fra stillestående. Robot flipper kan brukes til å bestemme ytelsen (krefter og momenter) og resulterende Flowfields.

Introduction

Mens forskere har undersøkt de grunnleggende egenskapene til sjø løve svømming (energetics, transportkostnader, luftmotstandskoeffisient, lineær hastighet og akselerasjon ^1-3, mangler vi informasjon om fluiddynamikk i systemet. Uten denne kunnskapen, begrenser vi potensialet høyhastighets høy manøvrerbarhet tekniske applikasjoner til kroppshalefinnen (BCF) locomotion modeller ^4. Ved å karakterisere et annet svømming paradigme, håper vi å utvide vår katalog av designverktøy, spesielt de med potensial til å aktivere roligere, stealthier former for svømming. Dermed studerer vi den grunnleggende mekanismen av sjøløve svømming gjennom direkte observasjon av californiasjøløve og laboratorieundersøkelser ved hjelp av en robot sjøløve foreflipper ^5,6.

For å gjøre dette, vil vi ansette en mye brukt teknikk for å utforske komplekse biologiske systemer: en robot plattform ^7. Flere locomotion studier-both av å gå ^8,9 og svømming ¹⁰ -har vært basert på enten komplekse ¹¹ eller svært forenklede ¹² mekaniske modeller av dyr. Vanligvis robot plattformer beholde essensen av modellsystemet, samtidig som forskere å utforske store parameter mellomrom ^13-15. Selv om det ikke alltid å karakterisere hele systemet, mye læres gjennom disse plattformene som isolerer en enkelt komponent av et lokomotiv system. For eksempel, den grunnleggende funksjon av ustø propulsors, som det frem-og-tilbake feiing av en halefinnen under carangiform bading, er blitt intenst undersøkt ved eksperimentelle undersøkelser av stamping og / eller duvende paneler ^12,16,17,18. I dette tilfellet, kan vi isolere enkelte av denne komplekse bevegelser på en måte som animalske studier ikke kan. De grunnleggende aspekter av fremdrift kan deretter brukes i utformingen av kjøretøy som ikke trenger den biologiske kompleksitet utviklingen gir.

<p class="Jove_content"> I denne artikkelen presenterer vi en ny plattform for å utforske "klapp" fase av sjøløve thrust-produserende slag. Bare en enkelt foreflipper-den 'roboflipper'-er inkludert i plattformen. Dens geometri er avledet nøyaktig fra biologiske skanninger av en californiasjøløve (Zalophus californianus) prøven. Den roboflipper aktiveres for å gjenskape den bevegelse av dyrenes avledet fra tidligere studier ^1. Denne robot flipper vil bli brukt til å undersøke hydrodynamiske ytelse av svømme sjøløve og for å utforske et større parameter plass enn dyrestudier, særlig de store vannlevende pattedyr, kan gi.

Protocol

1. Digitalisere et eksemplar av et Sea Lion Foreflipper Skann et eksemplar av en sjøløve foreflipper. Skaff et eksemplar av en sjøløve flipper fra en avdød person (Figur 1a). MERK: I vårt tilfelle ble de hentet fra Smithsonian Zoological Park i Washington, DC Heng foreflipper vertikalt fra sin base (der foreflipper festes til dyrets kropp). Dette både gjør at flipper å være rett når skannet, og eksponerer hele overflaten for skanning. Scan flipper bruker e…

Representative Results

Prosessen er beskrevet ovenfor gir en robot modell av en californiasjøløve foreflipper. Modellen kan brukes på to forskjellige måter. Én er ved aktivering av smekk bare ved roten (figur 6a). I dette tilfellet setter drivmotoren rotasjonshastigheten av det første ledd, men den resulterende bevegelse av smekk bestemmes av fluidum-struktur interaksjon mellom den fleksible flipper og det omgivende vann. I tillegg kan vi skape robotsvømmeføtter som ak…

Discussion

Robot flipper apparat vil tillate oss å forstå hydrodynamikk i svømming californiasjøløve. Dette inkluderer den grunnleggende trykkproduserende slag (den "klapp '), så vel som ikke-fysiske varianter som dyrestudier ikke kan undersøke. Robot flipper har blitt designet for eksperimentell allsidighet, og dermed steg 3-der flipper selv er laget-er kritisk i å få de ønskede resultater. Selv om dette apparatet er klart, bare en modell av levende system, in situ studier av californiasjøløve er eks…

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