Роботизированной платформы по изучению ласт в Калифорнии морской лев
Summary
Роботизированная платформа описывается, которая будет использоваться для изучения гидродинамических характеристик сил и вычисляемых полей-купального морской лев Калифорнии. Робот представляет собой модель ласт животного, который приводится в действие с помощью двигателей повторить движение его пропульсивной хода ( 'хлопать').
Abstract
Морской лев Калифорния (Zalophus californianus), является гибкой и мощной пловец. В отличие от многих успешных пловцов (дельфины, тунец), они производят большую часть тяги с их большими foreflippers. Этот протокол описывает роботизированную платформу , предназначенный для изучения гидродинамической характеристики плавательного морской лев Калифорнии (Zalophus californianus). Робот представляет собой модель ласт животного, который приводится в действие с помощью двигателей повторить движение его пропульсивной хода ( 'хлопать'). Кинематика пропульсивной инсульта у моря льва извлекаются из видеоданных без опознавательных знаков, без исследований морских львов в Смитсоновском зоологический парк (СНз). Эти данные легли в основу движения привода роботизированной плавника, представленного здесь. Геометрия роботизированной плавника базируется на на высокой разрешающей способностью лазерного сканирования из ласт взрослой самки морского льва, масштабируется до примерно 60% от полной шкалы плавника. Поворотная модель имеет три Joints, имитируя локтя, запястья и затылка сустав морской лев ласт. Роботизированная платформа соответствует динамических свойств-число Рейнольдса и наконечник скорости животного при ускорении из состояния покоя. Роботизированный плавник может быть использован для определения производительности (сил и моментов) и в результате вычисляемых полей.
Introduction
В то время как ученые исследовали основные характеристики льва плавания на море (энергетика, транспортные расходы, коэффициент лобового сопротивления, линейной скорости и ускорения 1-3, нам не хватает информации о гидродинамике системы. Без этого знания, мы ограничиваем потенциал высокоскоростной , высокой маневренностью инженерных приложений к плавников (BCF) модели тела-каудальном локомоции 4. характеризуя другую парадигму плавание, мы надеемся расширить наш каталог инструментов проектирования, в частности , с потенциалом для того, чтобы более тихие, скрытно формы плавания. Таким образом , , мы изучаем фундаментальный механизм морской лев плавание путем прямого наблюдения морского льва Калифорнии и лабораторных исследований с использованием роботизированного морской лев ласт 5,6.
Для этого мы будем использовать обычно используемый метод для изучения сложных биологических систем: роботизированную платформу 7. Несколько исследований локомоции-ботч ходьбы 8,9 и плавание 10 -Иметь были основаны либо сложных 11 или сильно упрощенными 12 механических моделей животных. Как правило, роботизированные платформы сохраняют суть модельной системы, позволяя исследователям исследовать большие пространства параметров 13-15. Хотя не всегда характеризующая всю систему, многое стало известно через эти платформы, которые изолируют один компонент локомотива системы. Например, основное функционирование нестационарными движителей, как возвратно-поступательный подметание хвостового плавника во время carangiform плавания, было интенсивно исследовали с помощью экспериментальных исследований качка и / или поднимающихся панелей 12,16,17,18. В этом случае мы можем выделить определенные режимы этого сложного движения таким образом, что исследования на животных на основе не могут. Эти фундаментальные аспекты движения могут быть использованы в конструкции транспортных средств, которые не нуждаются в эволюции биологической сложности обеспечивает.
<p class="Jove_content"> В этой статье мы представляем новую платформу для изучения фазы "хлопать" морского льва тяги производства инсульта. Только один ласт-The 'roboflipper'-включен в платформу. Его геометрия происходит именно из биологических сканирований морской лев Калифорнии (Zalophus californianus) образца. Roboflipper приводится в действие , чтобы повторить движение животных , полученных из предыдущих исследований 1. Этот робот плавник будет использоваться для исследования гидродинамического производительность морского льва плавание и исследовать более широкое пространство параметров, чем исследования на животных, особенно крупных водных млекопитающих, может дать.Protocol
Representative Results
Discussion
Роботизированный плавник аппарат позволит понять гидродинамику плавание морской лев Калифорнии. Это включает в себя основной тяги производить удар (далее «хлопать»), а также нефизических вариации, что исследования на животных не могут расследовать. Роботизированный плавник был разр?…
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).
