Una plataforma robótica para estudiar la Foreflipper del león marino de California
Summary
Una plataforma robótica se describe que será utilizado para estudiar el rendimiento fuerzas y flowfields-natación del león marino de California hidrodinámicas. El robot es un modelo de foreflipper del animal que es accionado por los motores de replicar el movimiento de su carrera de propulsión (la "palmada").
Abstract
El león marino de California (Zalophus californianus), es un nadador ágil y potente. A diferencia de muchos nadadores exitosos (delfines, atún), que generan la mayor parte de su empuje con sus grandes aletas delanteras. Este protocolo describe una plataforma robótica diseñado para estudiar el comportamiento hidrodinámico de la natación león marino de California (Zalophus californianus). El robot es un modelo de foreflipper del animal que es accionado por los motores de replicar el movimiento de su carrera de propulsión (la "palmada"). La cinemática de accidente cerebrovascular propulsora del león de mar se extraen de los datos de vídeo de la no investigación leones marinos sin marcar, en el Parque Zoológico Smithsonian (SNZ). Estos datos forman la base del movimiento de accionamiento de la aleta robótico que aquí se presenta. La geometría de la aleta robótico se basa en una exploración por láser de alta resolución de un foreflipper de un adulto hembra de león marino, reducido a aproximadamente el 60% de la aleta a gran escala. El modelo articulado tiene tres jUNTOS, imitando el codo, la muñeca y la junta articulada de la foreflipper león marino. La plataforma robótica coincide con las propiedades de la dinámica de Reynolds número y la punta de velocidad del animal cuando se acelera desde el reposo. La aleta robótico puede ser utilizado para determinar el rendimiento (fuerzas y pares de torsión) y flowfields resultantes.
Introduction
Aunque los científicos han investigado las características básicas de la natación del león marino (energética, coste del transporte, coeficiente de resistencia aerodinámica, la velocidad lineal y la aceleración 1-3, carecemos de información sobre la dinámica de fluidos del sistema. Sin este conocimiento, que limitan el potencial de alta velocidad , aplicaciones de ingeniería de alta capacidad de maniobra a la aleta (BCF) modelos de locomoción de cuerpo caudal 4. al caracterizar un paradigma de natación diferente, esperamos ampliar nuestro catálogo de herramientas de diseño, específicamente los que tienen el potencial de permitir más tranquilas formas, sigilosos de natación. Así , estudiamos el mecanismo fundamental de lobo de mar nadando a través de la observación directa del león marino de California y las investigaciones de laboratorio usando un león marino robótico foreflipper 5,6.
Para ello, vamos a emplear una técnica muy utilizada para explorar los sistemas biológicos complejos: una plataforma robótica 7. Varios estudios de locomoción-both de caminar y nadar 8,9 10 -tienen ha basado en ya sea 11 o complejos altamente simplificados 12 modelos mecánicos de los animales. Típicamente, las plataformas robóticas conservan la esencia del modelo de sistema, al tiempo que permite a los investigadores a explorar grandes espacios de parámetros 13-15. Aunque no siempre es la caracterización de todo el sistema, tanto que se aprende a través de estas plataformas que aíslan un solo componente de un sistema locomotor. Por ejemplo, el funcionamiento fundamental de propulsores inestables, como la palma de ida y barrido de una aleta caudal durante la natación carangiform, ha sido intensamente explorada a través de investigaciones experimentales de cabeceo y / o paneles agitado 12,16,17,18. En este caso, podemos aislar ciertas modalidades de esta moción complejos de forma que los estudios basados en animales no pueden. Los aspectos fundamentales de la propulsión a continuación, se pueden utilizar en el diseño de los vehículos que no necesitan la evolución complejidad biológica ofrece.
<p class="Jove_content"> En este trabajo, presentamos una nueva plataforma para la exploración de la fase de "clap 'del león marino de empuje que producen derrame cerebral. Sólo un único foreflipper-la 'roboflipper'-está incluido en la plataforma. Su geometría se deriva precisamente de las exploraciones biológicas de un león marino de California (Zalophus californianus) espécimen. El roboflipper es accionado para replicar el movimiento de los animales derivados de los estudios anteriores 1. Esta aleta robótico será utilizado para investigar el comportamiento hidrodinámico del lobo de mar nadando y para explorar un espacio de parámetros más amplio que los estudios en animales, en particular los de los grandes mamíferos acuáticos, puede rendir.Protocol
Representative Results
Discussion
El aparato robótico aleta nos permitirá comprender la hidrodinámica de la natación león marino de California. Esto incluye la producción de empuje trazo básico (el "aplauso"), así como las variaciones no físicos que los estudios en animales no pueden investigar. La aleta de la robótica ha sido diseñado para la flexibilidad experimental, por lo tanto, el paso 3, donde la aleta en sí está hecho-es fundamental en la obtención de los resultados deseados. Aunque este aparato es, claramente, sólo un m…
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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