Una piattaforma robotica per studiare la Foreflipper della California Sea Lion
Summary
Una piattaforma robotica è descritto che verrà utilizzata per studiare le prestazioni forze e flowfields-della piscina Leone di mare California idrodinamici. Il robot è un modello di foreflipper dell'animale che è azionato da motori di replicare il movimento della sua corsa propulsiva (il 'clap').
Abstract
Il leone di mare della California (Zalophus californianus), è un nuotatore agile e potente. A differenza di molti nuotatori di successo (delfini, tonno), che generano la maggior parte della loro spinta con le loro grandi foreflippers. Questo protocollo descrive una piattaforma robotica progettato per studiare le prestazioni idrodinamiche del nuoto Leone di mare California (Zalophus californianus). Il robot è un modello di foreflipper dell'animale che è azionato da motori di replicare il movimento della sua corsa propulsiva (il 'clap'). La cinematica di ictus propulsiva del leone di mare vengono estratti dai dati video di non marcati, non di ricerca leoni marini presso il Parco Zoologico Smithsonian (SNZ). Tali dati costituiscono la base del moto di azionamento della pinna robotico qui presentata. La geometria della pinna robotica si riferiscono a scansione laser ad alta risoluzione di una foreflipper di un adulto leone marino femmina, scalato a circa il 60% della pinna fondo scala. Il modello articolato ha tre joints, imitando il gomito, polso e nocca congiunta del foreflipper leone marino. La piattaforma robotica soddisfa le dinamiche proprietà-Reynolds numero e la punta della velocità dell'animale in fase di accelerazione da fermo. Il flipper robotizzato può essere utilizzato per determinare le prestazioni (forze e coppie) e flowfields risultanti.
Introduction
Mentre gli scienziati hanno studiato le caratteristiche di base di leone di nuoto mare (energetica, costo del trasporto, coefficiente di resistenza, velocità lineare e 1-3 accelerazione, ci mancano informazioni sulle fluidodinamica del sistema. Senza questa conoscenza, ci limitiamo a potenziale alta velocità , applicazioni di ingegneria ad alta manovrabilità a pinna (BCF) modelli di locomozione del corpo-caudale 4. per caratterizzare un diverso paradigma di nuoto, speriamo di espandere il nostro catalogo di strumenti di progettazione, in particolare quelli con il potenziale per consentire più silenziosi, furtivi forme di nuoto. Così , si studia il meccanismo fondamentale di nuoto leone marino attraverso l'osservazione diretta del leone di mare della California e le indagini di laboratorio con un leone marino robotizzato foreflipper 5,6.
Per fare questo, utilizzeremo una tecnica comunemente usata per esplorare sistemi biologici complessi: una piattaforma robotica 7. Diversi studi locomozione-both di camminare e nuotare 8,9 10 -hanno stata basata su entrambi i complessi 11 o altamente semplificati 12 modelli meccanici di animali. Tipicamente, le piattaforme robotiche conservano l'essenza del sistema modello, consentendo ai ricercatori di esplorare ampi spazi parametri 13-15. Pur non sempre caratterizza l'intero sistema, molto è appreso attraverso queste piattaforme che isolano un singolo componente di un locomotore. Ad esempio, il funzionamento fondamentale propulsori instabili, come la schiena e indietro spazzare di una pinna caudale durante il nuoto carangiform, è stata intensamente esplorato attraverso indagini sperimentali di beccheggio e / o pannelli ansante 12,16,17,18. In questo caso, possiamo isolare certi modi di questo movimento complesso in modi che gli studi basati su animali non si può. Questi aspetti fondamentali di propulsione possono poi essere utilizzati nella progettazione di veicoli che non hanno bisogno l'evoluzione complessità biologica fornisce.
<p class="Jove_content"> In questo articolo, vi presentiamo una nuova piattaforma per esplorare la fase di 'clap' del leone di mare di spinta produttrici di ictus. Solo un singolo foreflipper-the 'roboflipper'-è incluso nella piattaforma. La sua geometria è derivato proprio da scansioni biologici di un leone di mare della California (Zalophus californianus) campione. Il roboflipper viene azionato per replicare il moto degli animali derivate da studi precedenti 1. Questo flipper robot verrà utilizzato per studiare le prestazioni idrodinamiche del nuoto leone marino e per esplorare uno spazio parametrico più ampio di studi su animali, in particolare quelli di grandi mammiferi acquatici, può produrre.Protocol
Representative Results
Discussion
L'apparato flipper robotica permetterà di comprendere l'idrodinamica della piscina Leone di mare California. Questo include la spinta la produzione di ictus di base (il 'clap'), così come le variazioni non fisici che gli studi su animali non indagare. Il flipper robotico è stato progettato per una maggiore versatilità sperimentale, in tal modo, il punto 3, dove pinna stessa è fatto-è fondamentale per ottenere i risultati desiderati. Mentre questo dispositivo è, chiaramente, solo un modello del sis…
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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