En Robotic plattform för att studera Foreflipper i Kalifornien sjölejon
Summary
En robotplattform beskrivs som kommer att användas för att studera de hydrodynamiska prestanda-krafter och flowfields-i simning kaliforniskt sjölejon. Roboten är en modell av djurets foreflipper som manövreras av motorer för att replikera rörelsen hos dess framdrivnings stroke (den "clap ').
Abstract
Kalifornien sjölejon (Zalophus californianus), är en smidig och kraftfull simmare. Till skillnad från många framgångsrika simmare (delfiner, tonfisk), de genererar merparten av sin dragkraft med sina stora foreflippers. Detta protokoll beskriver en robotplattform avsedd att studera hydrodynamiska prestanda simning Kalifornien sjölejon (Zalophus californianus). Roboten är en modell av djurets foreflipper som manövreras av motorer för att replikera rörelsen hos dess framdrivnings stroke (den "clap '). De kinematik sjölejon s framdrivnings stroke extraheras från videodata av omärkta, icke-forsknings sjölejon vid Smithsonian Zoological Park (SNZ). Dessa uppgifter utgör grunden för aktiveringsrörelsen hos robot flipper presenteras här. Geometrin hos robot flipper bygger en laser på högupplösande svep av en foreflipper av en vuxen hona sjölejon, skalas till ca 60% av den fullskaliga flipper. Den ledade modellen har tre joints, imitera armbågen, handleden och knoge leden sjölejon foreflipper. Robot plattformen matchar dynamik egenskaper-Reynolds tal och dricks hastighets av djuret vid acceleration från stillastående. Robot flipper kan användas för att bestämma prestandan (krafter och moment) och resulterande flowfields.
Introduction
Även forskare har undersökt de grundläggande egenskaperna hos sjölejon simning (energier, transportkostnaderna, luftmotstånd, linjär hastighet och acceleration 1-3, vi saknar information om fluiddynamik i systemet. Utan denna kunskap, begränsar vi potentiellt hög hastighet hög manövrerbarhet tekniska tillämpningar till kropps caudal fin (BCF) locomotion modeller 4. Genom att karaktärisera en annan simning paradigm, hoppas vi att utöka vårt sortiment av designverktyg, särskilt de som har potential att göra det möjligt för tystare, smygvänlig och försiktig former av simning. Således studerar vi grundläggande mekanismen för sjölejon simma genom direkt observation av kaliforniskt sjölejon och laboratorieundersökningar med hjälp av en robot sjölejon foreflipper 5,6.
För att göra detta kommer vi att använda en ofta använd teknik för att utforska komplexa biologiska system: en robotplattform 7. Flera locomotion studier-both Walking 8,9 och simning 10 -har baserats på antingen komplexa 11 eller mycket förenklade 12 mekaniska modeller av djur. Typiskt, robot plattformar behålla kärnan i modellsystemet, samtidigt som forskare att utforska stora parameter utrymmen 13-15. Även om det inte alltid att karakterisera hela systemet, mycket är lärt sig genom dessa plattformar som isolerar en enda komponent av ett lok system. Till exempel, den grundläggande funktion ostadiga framdrivningsanordningar, som baksidan och återgående svepning av en stjärtfena under carangiform simning, har intensivt undersökt genom experimentella undersökningar av pitching och / eller böljande paneler 12,16,17,18. I detta fall kan vi isolera vissa lägen av denna komplexa rörelse på ett sätt som djurbaserade studier kan inte. De fundamentala aspekter av framdrivnings kan sedan användas i konstruktionen av fordon som inte behöver den biologiska komplexiteten evolutionen ger.
<p class="Jove_content"> I detta papper presenterar vi en ny plattform för att utforska "klappa" fas av sjölejon dragkraft producerande stroke. Endast en enda foreflipper-den "roboflipper'-ingår i plattformen. Dess geometri härstammar exakt från biologiska skanningar av en California sjölejon (Zalophus californianus) exemplar. Den roboflipper påverkas för att reproducera rörelsen hos djurens härrör från tidigare studier 1. Denna robot flipper kommer att användas för att undersöka den hydrodynamiska prestanda simning sjölejon och att utforska en bredare parameterutrymme än djurförsök, särskilt de stora vattenlevande däggdjur kan ge.Protocol
Representative Results
Discussion
Robot flipper apparaten gör det möjligt för oss att förstå de hydrodynamik i simning kaliforniskt sjölejon. Detta inkluderar grundläggande drivkraft producerande stroke (den "klappa"), såväl som icke-fysiska variationer som djurstudier inte kan undersöka. Robot flipper har utformats för experimentell mångsidighet, sålunda, steg 3-där flipper är gjord-är kritisk i att erhålla de önskade resultaten. Medan denna anordning är, uppenbarligen, bara en modell av det levande systemet, in situ-st…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
