Una plataforma robótica para estudiar la Foreflipper del león marino de California

Resumen

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").

Resumen

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.

Introducción

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.

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.

Protocolo

1. Digitalizar un ejemplar de un León Foreflipper Mar

1. Analiza una muestra de un foreflipper león de mar.
   1. Obtener una muestra de una aleta de lobos marinos de un individuo fallecido (Figura 1a).
      NOTA: En nuestro caso, que se obtuvieron del parque zoológico Smithsonian en Washington, DC
   2. Colgar el foreflipper verticalmente desde su base (en el que el foreflipper se une al cuerpo del animal). Esto permite que tanto la aleta sea recta cuando se escanea, y expone toda la superficie de escaneado.
   3. Aleta de escaneado mediante una alta resolución de escáner de luz estructurada, con una precisión de aproximadamente 0,5 mm, y el error de aproximadamente 0,1 mm (Figura 1b).
2. Importe la nube de puntos en el software de CAD y lo hacen como una superficie. Para ello, haga clic en "Abrir" y seleccione el archivo .obj deseada. Haga clic en "Importar" para importar el archivo en el software de CAD.
3. Manipular la nube de puntos resultante utilizandoun diseño (CAD) de software asistida por ordenador haciendo clic en 'corte extruido' y cortar la parte de carne (parte no deseada) de la exploración. A continuación, haga clic en "Escala" para obtener la escala apropiada para la aleta robótico (68% del tamaño completo). Inspeccionar la aleta de captura suficiente detalle mediante la comparación de la muestra original (Figura 2).
4. Crear el molde alrededor de la aleta.
   1. En un software CAD, utilizar las superficies de aleta para formar un molde mediante la creación de un volumen circundante alrededor de la superficie aleta. Para ello, la extrusión de un bloque rectangular haciendo clic en "Bosquejo 'para dibujar un rectángulo y luego extrusión a más de la altura de la aleta para abarcar por completo.
   2. Haga clic en 'Asamblea' e importar ambas partes (flippers y de bloque rectangular) en el área de trabajo. Haga clic en 'mate' y hacer el plano frontal y superior, tanto de la aleta y el moho como coincidentes. Esto coloca automáticamente la aleta en el interior del molde.
   3. select el molde del gestor de diseño y haga clic en 'Editar pieza'. Una vez que se selecciona la pieza, haga clic en "Insertar> Características> Cavidad 'para hacer una cavidad de la aleta en el interior del molde. Dibuje una línea en el centro del molde rectangular y haga clic en 'Split' para formar dos partes de un mismo molde.
   4. Haga clic en "parte cortada 'para separar el volumen circundante en dos partes para la extracción de aleta fácil. Inserte cavidades y las clavijas en cada mitad del volumen y guardarlo como parte de uno y dos del molde aleta (Figura 3).
   5. Convertir archivos de la '.SLDRPT' del molde para '.STL'. Importar estos archivos en el software propietario de la impresora 3D y haga clic en "Imprimir" para generar el molde impreso en 3D.

2. Diseñar la estructura ósea

1. Abra la foreflipper digital en un software de CAD y obtener una imagen del león de mar foreflipper estructura ósea de referencia (por ejemplo, Figura1 en Inglés, 1977 ^19).
2. Diseño de tres piezas diferentes que imitan la estructura ósea que se ajuste dentro del modelo digital de la foreflipper. A lo largo de este procedimiento, "base" se refiere al extremo de una parte más cerca de la base de la foreflipper y 'punta' se refiere al extremo de la parte más cerca de la punta de la foreflipper.
   1. Pieza Base
      1. Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la articulación del hombro y de la muñeca de la aleta del león de mar (las mediciones se obtienen usando la cinta de medición). Para ello, utilice un software de CAD haciendo clic en "Esbozo" y el diseño de la forma de la pieza base (Figura 4).
      2. Añadir nudillos en ambos extremos de la parte haciendo clic en "Bosquejo 'y dibujar dos círculos. Haga clic en "extrusión de salientes" para dar forma la longitud deseada desde el plano de la pieza base. Haga clic en el dibujo del círculo más pequeño que cortar en la extrusión haciendo clic en "Cortar Extruir 'para hacerespacio para el eje. Para reforzar esta unión, haga clic en 'filete' para suavizar las articulaciones afilados.
         NOTA: Las dimensiones de los círculos dependen del tamaño del árbol que se utiliza durante el montaje de la aleta en la parte superior del canal de flujo de agua. En nuestro caso, el diámetro del círculo más pequeño es de 0,5 pulgadas y el círculo más grande es de 1 pulgadas. El extremo de la base va a estar sentado fuera de la geometría de la piel aleta, por lo que el tamaño del nudillos no entra dentro de las limitaciones de la piel.
   2. Pieza media
      1. Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la articulación de la muñeca y de la junta articulada de un león marino. Para ello, al hacer clic en 'Croquis' y dibujar la forma deseada (como se muestra en la Figura 4b) en un avión. Una vez que la geometría está diseñado, haga clic en 'Extrusión' para obtener la forma tridimensional básica de la pieza intermedia. Introducir la longitud extruido como 0.1650 pulgadas.
         NOTA: La forma deseada de la pieza mediaen nuestro experimento es un trapezoide con una altura de 2,25 pulgadas y la longitud de las dos bases como 1.625 y 0.850 pulgadas respectivamente.
      2. Añadir nudillos en ambos extremos. Para ello, tal como se describe en el paso 2.2.1.2. El diámetro del corte extruido es 0,125 pulgadas. Conectar los nudillos en el extremo de base al extremo de punta de la pieza de base con un eje para formar una bisagra en representación de la articulación de la muñeca.
         NOTA: Los nudillos necesitan para encajar dentro del volumen de la foreflipper, por lo que el diseño en consecuencia.
      3. Añadir una torre de aproximadamente 1 cm de altura con el extremo de la punta de la pieza en ambos lados.
         1. Para añadir una torre, haga clic en 'Boceto' y dibuje un rectángulo en la base del modelo. Extruir el croquis seleccionando el dibujo y haciendo clic en 'extrusión de salientes'. El espesor de la torre en este caso particular es 0,165 pulgadas.
         2. Haga clic en "Filete" y seleccione el modelo y uno de los bordes de la torre extruido. Esto fortalece la articulación aguda, donde la torre y el base de la pieza intermedia están conectados. No hay problema si la torre sobresale de la geometría de la piel. La torre debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar las fuerzas generadas durante un aplauso aleta. Ver Figura 4 para referencia.
   3. Pieza punta
      1. Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la rótula y la punta del hueso del dedo más largo de un león marino. Para ello, al hacer clic en 'Croquis' y dibujar la forma deseada en un avión. Una vez que la geometría está diseñado, haga clic en extrusión para obtener la forma tridimensional básica de la pieza de punta.
      2. Añadir nudillos en ambos extremos. Para ello, tal como se describe en el paso 2.2.1.2. El diámetro de la corte extruido debe ser igual al diámetro del eje, que en este experimento es 0,125 pulgadas. Los nudillos en el extremo de base estarán conectados al extremo de punta de la pieza intermedia con un eje para formar una bisagra en representación de la junta articulada. La geometría de estos KNUckles tiene que caber dentro de la geometría de la piel foreflipper, por lo que diseñar en consecuencia.
      3. Añadir una torre de aproximadamente 1 cm de altura para el extremo de base de la pieza en ambos lados. Para ello, se describe en el paso 2.2.2.3. El espesor de la torre en este caso particular es 0,165 pulgadas. No hay problema si la torre sobresale de la geometría de la piel. La torre debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar las fuerzas generadas durante un aplauso aleta. Vea la Figura 5 para referencia.

3. Creación de una aleta

1. 3D imprimir el esqueleto (base, piezas de medios y de punta) de la aleta. Convertir el archivo '.SLDRPT' de CAD a '.STL' y la importación en el software propietario de la impresora y haga clic en "Imprimir".
   NOTA: Las instrucciones de impresión son diferentes para cada impresora.
   1. Reforzar los nudillos de la parte media y la punta con un adhesivo (epoxi) y los hilos de carbono. Para hacer esto, cortar en carbohidratosen las roscas de la longitud de 0,750 pulgadas. Aplicar adhesivo a las estructuras óseas impresas en 3D y sentar las discusiones sobre los nudillos. No es necesario reforzar las grandes nudillos en la pieza de base (Figura 5a).
   2. Perforar los agujeros en la parte inferior de cada torre el diámetro de la cuerda de Kevlar (cadenas que serán utilizados para accionar las articulaciones).
   3. Monte todas las piezas de hueso juntos desde base hasta la punta usando ejes. Para ello, mediante la colocación de todos los componentes en una mesa plana como se muestra en la Figura 4. Para conectar la base y parte media, alinear los nudillos de las partes e insertar el eje. Utilizar la misma técnica para conectar el centro y la pieza de punta juntos. Utilice un adhesivo en cada extremo de cada eje para asegurar el eje no se mueve lateralmente (Figura 5b).
   4. Cortar tubos de plástico para el siguiente período. Corte cuatro tubos de la longitud de la pieza ósea de base ₍₁ L = 8 cm) y dos tubos de la longitud de la pieza intermedia _(L2 = 6 cm).
   5. Cortar 4 trozos de Kevcadena lar, cada 3 pies de largo.
   6. Deslice una cadena a través de un tubo _L1 y luego un tubo _L2. Deslice otra cadena a través de un tubo de _L1. Repetir el proceso con el resto de los tubos y cuerdas.
   7. Colocar los tubos en la parte superior de las estructuras óseas y utilizar una cinta adhesiva transparente para mantenerlos en su posición de forma temporal. El uso de un adhesivo, se adhieren a los tubos de la estructura ósea y luego retire las cintas.
      NOTA: No hay una posición específica en la que los tubos tienen que ser colocados, el aspecto crítico es que sólo les pegan en la superficie de la estructura. Utilice la figura 5c como pauta.
   8. Pase el cordón de Kevlar a partir de L ₁ tubo y el tubo de _L2 a través de los agujeros perforados en las piezas de punta y medias como se describe en el paso 3.1.2. Hacer una pequeña pero segura nudo una vez que la cadena es a través del agujero (Figura 5d).
2. Adición de la piel de la aleta para crear una aleta final.
   1. Medir 200 ml de silícicoen medio y de silicio en dos recipientes diferentes.
   2. Verter estos dos líquidos en un recipiente de acero. Añadir diluyente de pintura (no más de 10% del peso de la mezcla total) a la mezcla para facilitar el transporte y mezcla.
   3. Use una batidora para mezclar la mezcla a fondo durante 3 - 4 min. El color puede ser añadido en este paso para lograr los efectos visuales deseados. Si una batidora de pie no está disponible, utilizar una batidora para que se mezcle, teniendo cuidado de raspar los lados y el fondo del recipiente.
   4. Inserte una varilla en los nudillos de la parte de base y alinearla con los nudillos del molde aleta. Cuando las clavijas encajan en las cavidades del molde, la estructura ósea se alinea perfectamente en el molde aleta. Mientras que mantener presionadas las dos partes del molde, asegurar las partes mediante el uso de una pinza para la compresión añadido (este paso es fundamental para que la mezcla de silicio no se escapa de la brecha entre las dos partes).
   5. Una vez que la mezcla se mezcla, se vierte cuidadosamente en el molde hasta que los nudillos más altasde la estructura ósea. La exudación de líquido desde el orificio inferior del molde es una muestra de la mezcla siendo distribuidos de manera uniforme. En el inicio de esta, tapar el agujero para evitar aún más el flujo del líquido. Dejar el líquido para curar durante cuatro horas antes de retirar el robot aleta del molde (véase la Figura 6).

4. montaje

1. Para montar el foreflipper silicio en el canal de flujo de agua (figura 7), crear una estructura de montaje. Se muestra una representación CAD del conjunto acabado. (Figura 8).
   1. Diseñar una placa con un corte extruido con cuidado el uso de software de CAD. Haga clic en "Esbozo" y dibujar un rectángulo de dimensiones 14 x 19 pulgadas (la altura no importa cuando el cortador láser utiliza un archivo .dwg). Use una hoja rectangular de acero como la base para la fabricación de esta placa. Cargar un dibujo en dos dimensiones desde el software de CAD en un ordenador conectado a un cortador láser de acero para alcanzar los cortes deseados.
      NOTA: Thicasas s de la placa del motor y el recorte de los que permite el sistema de poleas para el trabajo. La anchura de la placa es igual a la anchura del canal de flujo de agua, lo que facilita el deslizamiento de la placa sobre el canal. Este tipo de colocación ayuda a facilitar la extracción del conjunto de montaje para reemplazar las piezas o el modelo foreflipper.
   2. Fijar la foreflipper y la polea sobre un eje, que se desliza en una viga triangular.
      NOTA: Un sistema de tres polea se implementa para transferir el par / potencia desde el motor a la varilla.
   3. Utilice cojinetes a cada lado para ayudar a la varilla para girar suavemente. Para restringir el movimiento de la varilla en la dirección lateral, coloque collares de eje en cada extremo del eje.
2. Establecer el movimiento de la aleta mediante la selección de la función de avance lento en el conductor. Al pulsar el botón 'Up' gira la aleta hacia la derecha y el botón "abajo", se gira en sentido antihorario aleta. El controlador permite el cambio de las revoluciones por minuto del motoreje de acuerdo con las instrucciones del manual de ^20.
3. Insertar el puerto de colorante en ángulo recto en el agua y aumentar la presión en el sistema de colorante. Ajustar la velocidad del colorante a la velocidad de corriente libre del agua por lo que el colorante se presenta como un solo filamento liso. Girar la aleta de modo que el colorante interactúa y queda atrapado con los vórtices generados resultantes.

Resultados

El proceso descrito anteriormente produce un modelo robótico de un foreflipper león de mar de California. El modelo puede ser utilizado de dos maneras diferentes. Uno es mediante el accionamiento de la aleta única en la raíz (Figura 6a). En este caso, el motor de accionamiento establece la velocidad de rotación de la primera articulación, pero el movimiento resultante de la aleta está determinado por la interacción fluido-estructura entre la alet...

Discusión

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...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 0.1 mm
Artec Spider	Artec 3D		3D light scanner with resolution of 0.5 mm
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