A plataforma robótica para estudar a Foreflipper do Leão de mar de Califórnia
Summary
A plataforma robótica é descrito que será usada para estudar o desempenho-forças e flowfields-da natação do leão de mar Califórnia hidrodinâmicas. O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o "bater palmas ').
Abstract
O leão de mar de Califórnia (californianus do Zalophus), é um nadador ágil e poderoso. Ao contrário de muitos nadadores de sucesso (golfinhos, atum), que geram a maior parte de seu impulso com seus grandes foreflippers. Este protocolo descreve uma plataforma robótica projetado para estudar o desempenho hidrodinâmico da natação do leão de mar Califórnia (Zalophus). O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o "bater palmas '). A cinemática de acidente vascular cerebral propulsora do leão mar são extraídos de dados de vídeo de desmarcados, não as de pesquisa leões marinhos no Parque Zoológico Smithsonian (SNZ). Esses dados constituem a base do movimento de accionamento da aleta robótico aqui apresentada. A geometria da palheta robótico é baseado um on-alta resolução de digitalização a laser de um foreflipper de um leão-marinho fêmea adulta, dimensionada para cerca de 60% do flipper em grande escala. O modelo articulado tem três joints, imitando o cotovelo, punho e articulação conjunta do foreflipper leão marinho. A plataforma robótica combina propriedades de Reynolds dinâmica número e velocidade ponta-do animal ao acelerar a partir do repouso. A aleta robótico pode ser utilizado para determinar o desempenho (forças e momentos) e flowfields resultantes.
Introduction
Enquanto os cientistas têm investigado as características básicas de natação do leão de mar (energética, o custo do transporte, coeficiente de arrasto, a velocidade linear e 1-3 aceleração, faltam informações sobre a dinâmica dos fluidos do sistema. Sem esse conhecimento, nós limitar o potencial de alta velocidade , aplicações de engenharia de alta capacidade de manobra para o corpo-caudal fin (FBC) modelos de locomoção 4. ao caracterizar um paradigma de natação diferente, esperamos expandir nosso catálogo de ferramentas de design, especificamente aquelas com potencial para permitir mais silenciosos formas furtivos de natação. Assim , estudamos o mecanismo fundamental de natação do leão de mar através da observação direta do leão de mar Califórnia e investigações laboratoriais utilizando um leão-marinho robótico foreflipper 5,6.
Para fazer isso, vamos empregar uma técnica comumente usada para explorar sistemas biológicos complexos: a plataforma robótica 7. Vários estudos de locomoção-both de caminhar 8,9 e nadar 10 -ter sido baseada em ambos complexos 11 ou altamente simplificados 12 modelos mecânicos de animais. Tipicamente, as plataformas robóticas reter a essência do sistema modelo, ao mesmo tempo permitindo que os investigadores para explorar grandes espaços de parâmetros 13-15. Embora nem sempre caracterizar todo o sistema, é muito aprendidas através destas plataformas que isolam um único componente de um sistema de locomotiva. Por exemplo, o funcionamento fundamental de propulsores instáveis, como o vai-e-vem varrendo de uma barbatana caudal durante a natação carangiform, tem sido intensamente explorada através de investigações experimentais de pitching e / ou painéis arfando 12,16,17,18. Neste caso, podemos isolar certos modos de este movimento complexo de maneiras que os estudos em animais com base não pode. Esses aspectos fundamentais de propulsão pode, então, ser utilizada na concepção de veículos que não necessitam da evolução complexidade biológica fornece.
<p class="Jove_content"> Neste artigo, apresentamos uma plataforma nova para explorar a fase de "bater palmas" do leão-marinho produtoras de empuxo acidente vascular cerebral. Apenas um único foreflipper-o 'roboflipper'-se incluídos na plataforma. Sua geometria deriva exatamente das verificações biológicos de um leão de mar Califórnia (Zalophus) espécime. O roboflipper é actuado para replicar o movimento dos animais 'derivados a partir de estudos anteriores 1. Este flipper robótico será usado para investigar o desempenho hidrodinâmico do leão-marinho natação e explorar um espaço de parâmetros mais vasto do que estudos com animais, particularmente aqueles de grandes mamíferos aquáticos, pode render.Protocol
Representative Results
Discussion
O aparelho flipper robótico nos permitirá compreender a hidrodinâmica da natação do leão de mar Califórnia. Isso inclui o impulso produzir traço básico (o "aplauso"), bem como as variações não-físicos que estudos com animais não podem investigar. A aleta robótico foi concebido para versatilidade experimental, assim, passo 3 em que a aleta em si é feita, é crítico na obtenção dos resultados desejados. Embora este aparelho é, claramente, apenas um modelo do sistema vivo, estudos in situ<…
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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