Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren
Summary
Ein Roboter-Plattform beschrieben, die verwendet wird, um die hydrodynamischen Performance-Kräfte und Strömungsfelder-des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu studieren. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die "klatschen") zu replizieren.
Abstract
Der kalifornische Seelöwe (Zalophus californianus), ist ein agiles und leistungsstarke Schwimmer. Im Gegensatz zu vielen erfolgreichen Schwimmer (Delfine, Thunfisch), erzeugen sie die meisten ihrer Schub mit ihren großen foreflippers. Dieses Protokoll beschreibt eine Roboter – Plattform , um die hydrodynamische Leistung des Schwimm Kalifornien Seelöwe (Zalophus californianus) zu studieren entworfen. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die "klatschen") zu replizieren. Die Kinematik des Vortriebs Hub des Seelöwen aus Videodaten von nicht markierten, nicht-Forschung Seelöwen am Smithsonian Zoological Park (SNZ) extrahiert. Diese Daten bilden die Grundlage der Betätigungsbewegung des Roboter Wulstfahne hier vorgestellt. Die Geometrie des Roboter Flipper basiert eine auf hochauflösenden Laser-Scan eines foreflipper eines erwachsenen weiblichen Seelöwe, skaliert auf etwa 60% des Full-Scale-Flipper. Die gelenkige Modell hat drei junkte, imitiert den Ellenbogen, Handgelenk und Knöchelgelenk des Seelöwe foreflipper. Die Roboter-Plattform passt Dynamik Eigenschaften-Reynolds-Zahl und Geschwindigkeit der Spitze-des Tieres, wenn aus der Ruhe zu beschleunigen. Die Roboter-Kippflügel verwendet werden, um die Leistung (Kräfte und Momente) und die daraus resultierenden Strömungsfelder zu bestimmen.
Introduction
Während Wissenschaftler die grundlegenden Eigenschaften von Seelöwen schwimmen untersucht (Energetik, Transportkosten, Luftwiderstandsbeiwert, Lineargeschwindigkeit und Beschleunigung 1-3 fehlen uns Informationen über die Fluiddynamik des Systems. Ohne dieses Wissen wir Potenzial High-Speed – Begrenzung Hoch Manövrierfähigkeit Engineering – Anwendungen auf Körperschwanzflosse (BCF) Lokomotion Modelle 4. Durch ein anderes Schwimmen Paradigma zu charakterisieren, hoffen wir , unseren Katalog von Design – Tools zu erweitern, und zwar mit dem Potenzial , jene leiser, stealthier Formen Schwimmen zu ermöglichen. So untersuchen wir die grundlegenden Mechanismen von Seelöwen schwimmen durch direkte Beobachtung des Löwen Kalifornien Meer und Laboruntersuchungen einen Roboter – Seelöwe foreflipper 5,6 verwendet wird .
Um dies zu tun, werden wir eine häufig verwendete Technik für die Erforschung komplexer biologischer Systeme verwenden: eine Roboterplattform 7. Mehrere Lokomotion Studien-both von 8,9 Fuß und Schwimmen 10 -Haben auf beiden Komplex 11 oder stark vereinfachte 12 mechanische Modelle von Tieren basiert. Normalerweise halten die Roboter – Plattformen , um die Essenz des Modellsystems, während es den Forschern erlaubt große Parameterräume 13-15 zu erkunden. Obwohl es nicht immer das gesamte System zu charakterisieren, viel wird über diese Plattformen gelernt, die eine einzelne Komponente eines Bewegungsapparates zu isolieren. Zum Beispiel ist die grundlegende Funktionsweise der instationären propulsors, wie der Rücken-und Her einer Schwanzflosse während carangiform Schwimmen fegen, wurde durch experimentelle Untersuchungen von Nick- und / oder wogenden Platten 12,16,17,18 intensiv erforscht. In diesem Fall können wir bestimmte Modi dieses komplexe Bewegung in einer Weise zu isolieren, dass Tierbasierte Studien nicht. Diese grundlegenden Aspekte der Antriebs kann dann in der Konstruktion von Fahrzeugen verwendet werden, die brauchen nicht die biologische Evolution Komplexität bietet.
<p class="Jove_content"> In diesem Beitrag stellen wir eine neue Plattform für die Erkundung der "clap" Phase des Seelöwe Schub erzeugenden Schlaganfall. Nur ein einziges foreflipper-the 'roboflipper'-in der Plattform enthalten. Seine Geometrie stammt genau aus biologischen Scans von einem kalifornischen Seelöwen (Zalophus californianus) Probe. Die roboflipper betätigt , um die Bewegung der Tiere aus früheren Studien 1 abgeleitet zu replizieren. Diese Roboterwender werden verwendet, um die hydrodynamischen Leistung des Schwimm Seelöwen zu untersuchen und einen größeren Parameterraum als Tierstudien zu erforschen, insbesondere der großen Meeressäuger, ergeben können.Protocol
Representative Results
Discussion
Die Roboter-Flippergerät ermöglicht es uns, die Hydrodynamik des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu verstehen. Dazu gehört auch die grundsätzliche Ausrichtung der Herstellung Hub (die "clap"), sowie nicht-physischen Veränderungen, die Tierversuche nicht untersuchen können. Die Roboter-Flipper ist für experimentelle Vielseitigkeit entwickelt, damit Schritt 3, wo der Flosse selbst konfektionierten ist von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Während diese Vorrichtung ist kl…
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
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