פלטפורמה רובוטית לחקר Foreflipper של אריה ים קליפורני
Summary
פלטפורמה רובוטית מתואר כי ישמש כדי לחקור את כוחות ביצועים הידרודינמית flowfields-של אריה ים קליפורני לשחות. הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח').
Abstract
האריה הים קליפורניה (Zalophus californianus), הוא שחיין זריז וחזק. בניגוד לרבי שחיינים מוצלחים (דולפינים, טונה), שהם מייצרים ביותר של הדחף שלהם עם foreflippers הגדול שלהם. פרוטוקול זה מתאר פלטפורמה רובוטית נועד לחקור את הביצועים הידרודינמית של אריה ים קליפורני שחייה (Zalophus californianus). הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח'). קינמטיקה של השבץ הנע של אריות הימים המחולצים נתוני וידאו של אריות ים לא מסומנים, לא מחקרי בפרק הזואולוגי סמיתסוניאן (SNZ). נתונים אלה מהווים את הבסיס של תנועת actuation של הסנפיר רובוטית שהוצג כאן. הגיאומטריה של הסנפיר רובוטית מבוססת סריקת ליזר על ברזולוציה גבוהה של foreflipper של ארית ים נקבה בוגרת, לשנותם כדי כ -60% של הסנפיר בקנה מידה מלאה. יש מודל ניסח שלושה joints, מחק את המרפק, שורש כף יד מפרק המשותף של foreflipper אריות ים. הפלטפורמה הרובוטית תואמת נכסי ריינולדס דינמיקה מספר טיפ מהיר של החיה כאשר מאיצים משאר. מנופף רובוטית יכול לשמש כדי לקבוע את הביצועים (כוחות מומנטים) ו flowfields שהתקבל.
Introduction
בעוד מדענים חקרו את המאפיינים הבסיסיים של השחייה אריה הים (אנרגטיקה, עלות התחבורה, מקדם הגרר, מהירות לינארית והאצה 1-3, שחסר לנו מידע על דינמיקה של נוזלים של המערכת. ללא ידע זה, אנו מגבילים במהירות גבוהה פוטנציאל 4, יישומי הנדסה גבוה תמרון למודלי תנועת גוף, זנב סנפיר (BCF). בכך שהיא ממכנת פרדיגמה שחיה שונה, אנו מקווים להרחיב לקטלוג שלנו של כלי עיצוב, במיוחד אלה עם הפוטנציאל לאפשר שקטות, צורות stealthier של שחייה. לכן , אנחנו לומדים את מנגנון היסוד של השחייה אריות ים באמצעות תצפית ישירה של אריה ים קליפורני וחקירות במעבדה באמצעות אריה הים רובוטית foreflipper 5,6.
לשם כך, אנו נעסיק טכניקה נפוצה לחקר מערכות ביולוגיות מורכבות: פלטפורמה רובוטית 7. תנועה מספר מחקרים-בוט שעות של הליכת 8,9 ושחייה 10 -האם התבססו משני מורכבים 11 או פשוטים מאוד 12 מודלים המכאניים של חיות. בדרך כלל, פלטפורמות רובוטיות לשמר את המהות של מערכת המודל, ובמקביל לאפשר לחוקרים לחקור מקומות פרמטר גדולים 13-15. אמנם לא תמיד המאפיין את המערכת כולה, הרבה נלמד באמצעות פלטפורמות אלה המבודדים מרכיב אחד של מערכת קטר. לדוגמה, את התפקוד הבסיסי של propulsors לא יציב, כמו גב ו-ושוב גורף של סנפיר הזנב במהלך השחייה carangiform, נחקר באינטנסיביות במהלך חקירות ניסיוני של התנדנדות ו / או לוחות עולה ויורד 12,16,17,18. במקרה זה, אנחנו יכולים לבודד מצבים מסוימים של תנועה מורכבת זו בדרכי מחקרים המבוססים על בעלי חיים לא יכולים. היבטים בסיסיים אלה של נעים לאחר מכן ניתן להשתמש בעיצוב של כלי רכב אשר לא צריך את האבולוציה המורכבת הביולוגית מספקת.
<p class="Jove_content"> במאמר זה, אנו מציגים פלטפורמה חדשנית לחקור את שלב 'לטפוח' של ארי הים דחף לייצור שבץ. רק אחת foreflipper-ה 'roboflipper'-כלולה במצע. הגיאומטריה שלה נגזרה בדיוק מסריקות ביולוגיות של ארית ים קליפורני (Zalophus californianus) דגימה. Roboflipper הוא ומונע לשכפל את ההצעה של החיות 'על סמך מחקרים קודמים 1. סנפיר רובוטית זה ישמש כדי לחקור את הביצועים הידרודינמית של האריה שחייה בים לחקור מרחב הפרמטרים רחב יותר מאשר במחקרים בבעלי חיים, במיוחד אלה של יונקים ימיים גדולים, יכול להניב.Protocol
Representative Results
Discussion
מנגנון הסנפיר רובוטית יאפשר לנו להבין את הידרודינמיקה של ארית הים קליפורני לשחות. זה כולל את השבץ לייצר דחף בסיסי (ה 'לטפוח'), וכן וריאציות שאינם פיזיים כי מחקרים בבעלי חיים לא יכולים לחקור. מנופף רובוטית תוכנן עבור צדדיות ניסיון, ובכך, שלב 3-שבו הסנפיר עצמו עשוי-הו?…
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).
