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.

1. Digitalize um espécime de uma Lion Foreflipper Mar <ol><li> Digitalizar um espécime de um leão foreflipper mar. <ol><li> Obter uma amostra de um flipper leão de mar a partir de um falecido individuais (Figura 1a). NOTA: No nosso caso, eles foram obtidos a partir do Parque Smithsonian Zoological em Washington, DC </li><li> Pendurar o foreflipper verticalmente a partir da sua base (onde o foreflipper atribui ao corpo do animal). Isso tanto permite a palheta ser direto quando digitalizados, e expõe toda a superfície para a digitalização. </li><li> Aleta verificação usando um estruturado de alta resolução do digitalizador de luz, com uma precisão de cerca de 0,5 mm, e o erro de aproximadamente 0,1 mm (Figura 1b). </li></ol></li><li> Importar a nuvem de pontos em software CAD e torná-lo como uma superfície. Para fazer isso, clique em &quot;Abrir&quot; e selecione o arquivo desejado .obj. Clique em &quot;Importar&quot; para importar o arquivo para o software CAD. </li><li> Manipular a nuvem de pontos resultante usandoum design (CAD) software assistida por computador, clicando em &#39;corte extrudado&#39; e cortar a parte carne (parte indesejada) da digitalização. Em seguida, clique em &#39;Escala&#39; para obter o dimensionamento adequado para o flipper robótico (68% do tamanho total). Inspecione flipper para captura detalhes suficientes comparando com o modelo original (Figura 2). </li><li> Criar o molde em torno da palheta. <ol><li> Em um software de CAD, utilizar as superfícies de aletas, para formar um molde pela criação de um volume circundante em torno da superfície da aleta. Faça isso por extrusão de um bloco retangular clicando em &#39;esboço&#39; para desenhar um retângulo e, em seguida, expulsando-o mais do que a altura da aleta para abranger completamente. </li><li> Clique em &#39;Assembléia&#39; e importar as duas partes (aletas e bloco retangular) para a área de trabalho. Clique em &#39;Companheiro&#39; e fazer o plano frontal e superior, tanto da palheta e molde como coincidentes. Isto coloca automaticamente o flipper no interior do molde. </li><li> Select o molde da árvore de projeto e clique em &quot;Editar Parte &#39;. Uma vez que a parte que está selecionada, clique em &quot;Inserir&gt; Recursos&gt; Cavity &#39;para fazer uma cavidade do flipper no interior do molde. Esboçar uma linha no centro do molde rectangular e clique em &#39;Dividir&#39; para formar duas partes do mesmo molde. </li><li> Clique em &#39;Parte Corte&#39; para separar o volume circundante em duas partes para a extração de flipper fácil. Insira cavidades e estacas em cada metade do volume e guardá-lo como parte de um e dois do molde flipper (Figura 3). </li><li> Converter arquivos do &#39;.SLDRPT&#39; do molde para &#39;.STL&#39;. Importar esses arquivos para o software proprietário da impressora 3D e clique em &quot;Imprimir&quot; para gerar o molde impresso 3D. </li></ol></li></ol> 2. Criar a estrutura óssea <ol><li> Abra o foreflipper digitais em um software CAD e obter uma imagem do leão de mar foreflipper estrutura óssea para referência (tal como Figura1, em Inglês, 1977 19). </li><li> Projetar três peças diferentes que imitam a estrutura óssea que vai caber dentro do modelo digital do foreflipper. Ao longo deste processo, &quot;base&quot; refere-se ao fim de uma parte mais perto da base do foreflipper e &quot;ponta&quot; refere-se à extremidade da parte mais perto da ponta da foreflipper. <ol><li> Pedaço de base <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do ombro e do punho do flipper Leão de mar (medições são obtidas utilizando fita métrica). Faça isso usando um software de CAD clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar a forma da peça de base (Figura 4). </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades da peça clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar dois círculos. Clique sobre &#39;Boss Extrude&#39; para extrudir o comprimento desejado a partir do plano da peça de base. Clique no esboço do círculo menor para cortar a extrusão clicando em &#39;Extrusão de corte &quot;para fazerespaço para o veio. Para fortalecer esse conjunto, clique em &#39;filé&#39; para suavizar as articulações afiadas. NOTA: As dimensões dos círculos depender do tamanho do veio a ser usada durante a montagem da aleta em cima da caleira de água. No nosso caso, o diâmetro do círculo mais pequeno é de 0,5 polegadas e o círculo grande é 1 polegadas. A extremidade de base vai estar sentado fora da geometria da pele flipper, portanto, o tamanho do juntas não cai sob as restrições da pele. </li></ol></li><li> Pedaço Médio <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do pulso e da articulação do joelho de um leão-marinho. Faça isso clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar a forma desejada (como mostrado na Figura 4-B) em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em &#39;Extrude&#39; para obter a forma tridimensional de base da peça do meio. Entrada do comprimento extrudido como 0.1650 polegadas. NOTA: A forma desejada da peça intermediáriaem nossa experiência é um trapézio, com uma altura de 2,25 polegadas e o comprimento das duas bases como 1.625 e 0.850 polegadas, respectivamente. </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudado é de 0,125 polegadas. Ligar os nós dos dedos na extremidade de base para a extremidade da ponta da peça de base com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a articulação do pulso. NOTA: As juntas precisa para caber dentro do volume do foreflipper, assim conceber conformidade. </li><li> Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura com a extremidade da ponta da peça de ambos os lados. <ol><li> Para adicionar uma torre, clique em &#39;esboço&#39; e esboçar um retângulo na base do modelo. Extrude o sketch selecionando o esboço e clicando em &#39;Boss Extrude&#39;. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas. </li><li> Clique em &#39;Faixa&#39; e selecione o modelo e uma borda da torre extrudido. Isso reforça a articulação nítida onde a torre ea base da peça do meio estão ligados. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 4 para referência. </li></ol></li></ol></li><li> Dica Pedaço <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a junta articulada e a ponta do maior osso do dedo de um leão de mar. Faça isso clicando em &#39;esboço&#39; e esboçar uma forma desejada em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em extrusão para obter a forma tridimensional básica da peça ponta. </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudido deve ser igual ao diâmetro do eixo, que nesta experiência é de 0,125 polegadas. Os nós dos dedos na extremidade de base irá ser ligado à extremidade da ponta da peça intermediária com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a junta articulada. A geometria destas KNUckles precisa para caber no interior da geometria da pele foreflipper, assim conceber conformidade. </li><li> Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura para a extremidade da base da peça de ambos os lados. Faça isso descrito no passo 2.2.2.3. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 5 para referência. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Criação de um Flipper <ol><li> 3D imprimir o esqueleto (base, pedaços médios e de ponta) da palheta. Converter o arquivo &#39;.SLDRPT&#39; do CAD para o &#39;.STL &quot;e importá-lo para o software proprietário da impressora e clique em&quot; Imprimir &quot;. NOTA: As instruções de impressão são diferentes para cada impressora. <ol><li> Reforçar os nós dos dedos da peça do meio e ponta com um adesivo (epóxi) e fios de carbono. Para fazer isso, cortar carbem segmentos de comprimento 0,750 polegadas. Aplique o adesivo com as estruturas ósseas 3D impresso e colocar os fios ao longo dos dedos. Não é necessário o reforço das grandes articulações sobre a peça de base (Figura 5a). </li><li> Faça furos na parte inferior de cada torre o diâmetro da corda Kevlar (cordas que serão usados ​​para acionar as articulações). </li><li> Montar todas as peças de osso junto da base à ponta usando eixos. Fazer isso colocando todos os componentes sobre uma mesa plana, como mostrado na Figura 4. Para ligar a base e peça do meio, alinhar os nós dos dedos das partes e inserir o eixo. Usar a mesma técnica para ligar o meio e a peça de ponta juntos. Usar um adesivo em cada extremidade de cada eixo para assegurar o eixo não se move lateralmente (Figura 5b). </li><li> Cortar tubos de plástico para o comprimento que se segue. Cortar quatro tubos do comprimento da peça de base de osso (L 1 = 8 cm) e dois tubos de o comprimento da parte média (G 2 = 6 cm). </li><li> Corte 4 pedaços de Kevcadeia lar, cada 3 pés de comprimento. </li><li> Deslize uma corda através de um tubo de L 1 e, em seguida, um tubo de L 2. Deslize outra cadeia através de um tubo L 1. Repita o processo com os restantes tubos e cordas. </li><li> Colocar os tubos no topo das estruturas ósseas e usar uma fita adesiva transparente para segurá-los em posição temporariamente. Usando um adesivo, para manter os tubos para a estrutura óssea e remova as fitas. NOTA: Não existe uma posição específica na qual os tubos têm que ser colocados, o aspecto essencial é simplesmente colocá-los na superfície da estrutura. Use Figura 5c como uma diretriz. </li><li> Passe o fio Kevlar a partir de L 1 tubo e o tubo L 2 através dos orifícios perfurados na ponta de meia e peças como descrito no passo 3.1.2. Faça um pequeno mas seguro nó uma vez que a cadeia é através do orifício (Figura 5d). </li></ol></li><li> Adicionando a pele do flipper para criar uma palheta final. <ol><li> Medir 200 mL de silice na forma de silício em dois recipientes diferentes. </li><li> Despeje estes dois líquidos em uma tigela de aço. Adicionar solvente de tinta (não exceder 10% do peso da mistura total) à mistura para facilitar o vazamento e de mistura. </li><li> Use uma batedeira para misturar a mistura completamente por 3-4 min. A cor pode ser adicionada neste passo para atingir os desejados efeitos visuais. Se uma batedeira não estiver disponível, use um batedor para misturá-lo, tomando cuidado para raspar os lados e no fundo do recipiente. </li><li> Insira uma haste nos nós dos dedos da parte de base e alinhá-lo com as juntas do molde flipper. Quando as cavilhas de encaixar para dentro das cavidades do molde, a estrutura óssea é perfeitamente alinhados no molde aleta. Enquanto mantém para baixo as duas partes do molde, fixar as peças usando uma braçadeira de compressão adicionado (este passo é fundamental para que a mistura de silicone não vaza a partir do espaço entre as duas partes). </li><li> Uma vez que a mistura é misturada, despeje-o cuidadosamente no molde até que os nós dos dedos de nível superiorda estrutura óssea. Escorrendo de líquido a partir do orifício inferior no molde é um sinal de a mistura ficar uniformemente distribuído. No início deste, tapar o buraco para evitar ainda mais o fluxo do líquido. Deixar o líquido a curar durante quatro horas antes de retirar o robô aleta do molde (ver Figura 6). </li></ol></li></ol> 4. montagem <ol><li> Para montar o foreflipper silício na calha de água (Figura 7), criar uma estrutura de montagem. Uma representação CAD do conjunto acabado é mostrado. (Figura 8). <ol><li> Projetar uma placa com um corte cuidadosamente extrudido usando software CAD. Clique em &#39;esboço&#39; e desenhe um retângulo de dimensões 14 x 19 polegadas (a altura não importa como o cortador a laser usa um arquivo .dwg). Use uma folha rectangular de aço como a base para o fabrico deste prato. Carregue um desenho bidimensional do software CAD em um computador ligado a um cortador de laser de aço para atingir os cortes desejados. NOTA: Thicasas s placa do motor e do corte em que permite o sistema de roldanas para trabalhar. A largura da placa é igual à largura de um canal de descarga de água, tornando assim mais fácil para fazer deslizar a placa ao longo da calha. Este tipo de colocação ajuda a fácil remoção do conjunto de montagem para substituir peças ou o modelo foreflipper. </li><li> Fixar o foreflipper ea polia em um eixo, que desliza em uma treliça triangular. NOTA: um sistema de três polia é implementado para transferir o torque / potência do motor para a haste. </li><li> Use rolamentos em ambos os lados para ajudar a vara para rodar sem problemas. Para restringir o movimento da haste na direcção lateral, colocar os colares de veio em cada extremidade do eixo. </li></ol></li><li> Defina o movimento da palheta, seleccionando a função jogging no motorista. Pressionar o botão &quot;Up&quot; gira no sentido horário flipper e botão &#39;Down&#39; roda o sentido anti-horário flipper. O driver permite a mudança das rotações por minuto do motorveio de acordo com as instruções do manual 20. </li><li> Insira a porta de corante em ângulo reto na água e aumentar a pressão sobre o sistema de corante. Ajustar a velocidade do corante para a velocidade da corrente livre da água de modo que o corante aparece como um único filamento liso. Gire a palheta de modo a que o corante interage e fica preso com os vórtices que foi gerado. </li></ol>

<ol>
	<li>Feldkamp, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Swimming+in+the+California+sea+lion:+Morphometrics,+drag+and+energetics.">Swimming in the California sea lion: Morphometrics, drag and energetics.</a> Journal of Experimental Biology. 131, 117-135 (1987).</li><li>Godfrey, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additional+observations+of+subaqueous+locomotion+in+the+California+sea+lion+(zalophus+californianus).">Additional observations of subaqueous locomotion in the California sea lion (zalophus californianus).</a> Aquatic Mammals. 11 (2), 53-57 (1985).</li><li>Stelle, L. L., Blake, R. W., Trites, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+drag+in+steller+sea+lions+(eumetopias+jubatus).">Hydrodynamic drag in steller sea lions (eumetopias jubatus).</a> The Journal of Experimental Biology. 203 (12), 1915-1923 (2000).</li><li>Yu, J., Wang, L., Tan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+framework+for+biomimetic+robot+fish's+design+and+its+realization.">A framework for biomimetic robot fish's design and its realization.</a> Proceedings of the American Control Conference. , 1593-1598 (2005).</li><li>Friedman, C., Leftwich, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+kinematics+of+the+California+sea+lion+foreflipper+during+forward+swimming.">The kinematics of the California sea lion foreflipper during forward swimming.</a> Bioinspiration and Biomimetics. 9 (4), (2014).</li><li>Friedman, C., Joel, B. W., Schult, A. R., Leftwich, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+3D+geometry+extraction+of+a+Sea+lion+foreflipper.">Noninvasive 3D geometry extraction of a Sea lion foreflipper.</a> Journal of Aero Aqua Bio-mechanisms. 4 (1), 25-31 (2015).</li><li>Aguilar, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+locomotion+robophysics:+the+study+of+movement+at+the+intersection+of+robotics,+soft+matter+and+dynamical+systems.">A review on locomotion robophysics: the study of movement at the intersection of robotics, soft matter and dynamical systems.</a> Rep Prog Phys. 79 (11), 110001 (2016).</li><li>Holmes, P., Koditschek, D., Guckenheimer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+dynamics+of+legged+locomotion:+models,+analyses,+and+challenges.">The dynamics of legged locomotion: models, analyses, and challenges.</a> Dynamics. 48 (2), 207-304 (2006).</li><li>Mazouchova, N., Umbanhowar, P. B., Goldman, D. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flipper-driven+terrestrial+locomotion+of+a+sea+turtle-inspired+robot.">Flipper-driven terrestrial locomotion of a sea turtle-inspired robot.</a> Bioinspiration &amp; Biomimetics. 8 (2), 026007 (2013).</li><li>Hultmark, M., Leftwich, M. C., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flowfield+measurements+in+the+wake+of+a+robotic+lamprey.">Flowfield measurements in the wake of a robotic lamprey.</a> Experiments in fluids. 43 (5), 683-690 (2007).</li><li>Ijspeert, A. J., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+swimming+to+walking+with+a+salamander+robot+driven+by+a+spinal+cord+model.">From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model.</a> Science. 315 (5817), 1416-1420 (2007).</li><li>Buchholz, J. H., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+evolution+of+the+wake+structure+produced+by+a+low-aspect-ratio+pitching+panel.">On the evolution of the wake structure produced by a low-aspect-ratio pitching panel.</a> Journal of fluid mechanics. 546, 433-443 (2006).</li><li>Lauder, G. V., Anderson, E. J., Tangorra, J., Madden, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fish+biorobotics:+kinematics+and+hydrodynamics+of+self-propulsion.">Fish biorobotics: kinematics and hydrodynamics of self-propulsion.</a> Journal of Experimental Biology. 210 (16), 2767-2780 (2007).</li><li>Leftwich, M. C., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thrust+production+by+a+mechanical+swimming+lamprey.">Thrust production by a mechanical swimming lamprey.</a> Experiments in fluids. 50 (5), 1349-1355 (2011).</li><li>Leftwich, M. C., Tytell, E. D., Cohen, A. H., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wake+structures+behind+a+swimming+robotic+lamprey+with+a+passively+flexible+tail.">Wake structures behind a swimming robotic lamprey with a passively flexible tail.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (3), 416-425 (2012).</li><li>Buchholz, J. H., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+wake+structure+and+thrust+performance+of+a+rigid+low-aspect-ratio+pitching+panel.">The wake structure and thrust performance of a rigid low-aspect-ratio pitching panel.</a> Journal of fluid mechanics. 603, 331-365 (2008).</li><li>Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling+the+propulsive+performance+of+heaving+flexible+panels.">Scaling the propulsive performance of heaving flexible panels.</a> Journal of fluid mechanics. 738, 250-267 (2014).</li><li>Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+propulsors+in+ground+effect.">Flexible propulsors in ground effect.</a> Bioinspiration &amp; biomimetics. 9 (3), 036008 (2014).</li><li>English, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+anatomy+of+the+hands+of+fur+seals+and+sea+lions.">Functional anatomy of the hands of fur seals and sea lions.</a> American Journal of Anatomy. 147 (1), 1-17 (1976).</li><li>. PRONET-E Quick Start Guide Available from: <a target="_blank" href="https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf">https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf</a> (2014)</li><li>Fish, F. E., Legac, P., Williams, T. M., Wei, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+hydrodynamic+force+generation+by+swimming+dolphins+using+bubble+DPIV.">Measurement of hydrodynamic force generation by swimming dolphins using bubble DPIV.</a> Journal of Experimental Biology. 217 (2), 252-260 (2014).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

O aparelho flipper robótico nos permitirá compreender a hidrodinâmica da natação do leão de mar Califórnia. Isso inclui o impulso produzir traço básico (o &quot;aplauso&quot;), 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<...

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=&quot;Jove_content&quot;&gt; Neste artigo, apresentamos uma plataforma nova para explorar a fase de &quot;bater palmas&quot; do leão-marinho produtoras de empuxo acidente vascular cerebral. Apenas um único foreflipper-o &#39;roboflipper&#39;-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 &#39;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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="655">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Dragon Skin 20</td>
			<td style="width:81px;">Smooth-on</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:191px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Dragon Skin 20 medium</td>
			<td style="width:81px;">Smooth-on</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Object24</td>
			<td style="width:81px;">Stratasys</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td>3D printer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Stand Mixer</td>
			<td style="width:81px;">Hamilton</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;">PKS-PRO-E-10 System</td>
			<td style="width:81px;">Anaheim Automation</td>
			<td>PKS-PRO-E-10-A-LP22</td>
			<td>Controller and Servo Motor</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Artec Eva</td>
			<td style="width:81px;">Artec 3D</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td>3D light scanner with resolution of 0.1mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Artec Spider</td>
			<td style="width:81px;">Artec 3D</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td>3D light scanner with resolution of 0.5mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Steel plate</td>
			<td style="width:81px;">Mcmaster</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Carbon Tow</td>
			<td style="width:81px;">Fibreglast</td>
			<td style="width:136px;">2393-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hardened Precision 440C Stainless Steel Shaft</td>
			<td style="width:81px;">Mcmaster</td>
			<td>6253K49</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tygon PVC Clear Tubing</td>
			<td style="width:81px;">Mcmaster</td>
			<td style="width:136px;">6546T23</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Kevlar Thread</td>
			<td style="width:81px;">Mcmaster</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a robotic platform to study the foreflipper of the california sea lion

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 &quot;bater palmas &#39;). 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.

O processo descrito acima produz um modelo robótico de um leão-marinho foreflipper Califórnia. O modelo pode ser usado de duas maneiras diferentes. Uma é através da actuação do aleta-se apenas com a raiz (Figura 6a). Neste caso, o motor de accionamento define a velocidade de rotação da primeira articulação, mas o movimento resultante da aleta é determinada pela interacção de fluido-estrutura entre a palheta flexível e a água circundante. ...

Watch this Scientific Journal Video about A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion at JoVE.com

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

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 &quot;bater palmas &#39;).

A plataforma robótica para estudar a Foreflipper do Leão de mar de Califórnia

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

a-robotic-platform-to-study-the-foreflipper-of-the-california-sea-lion

Research

JoVE Journal

Engineering

7.9K visualizações.  The George Washington University.  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 '). 

Vídeo: A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Engenharia

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). In this article we will describe the methods for constructing and characterizing macroscopic disordered photonic structures using microwaves. The microwave regime offers the most convenient experimental sample size to build and test PBG media. Easily manipulated dielectric lattice components extend flexibility in building various 2D structures on top of pre-printed plastic templates. Once built, the structures could be quickly modified with point and line defects to make freeform waveguides and filters. Testing is done using a widely available Vector Network Analyzer and pairs of microwave horn antennas. Due to the scale invariance property of electromagnetic fields, the results we obtained in the microwave region can be directly applied to infrared and optical regions. Our approach is simple but delivers exciting new insight into the nature of light and disordered matter interaction.

Our representative results include the first experimental demonstration of the existence of a complete and isotropic PBG in a two-dimensional (2D) hyperuniform disordered dielectric structure. Additionally we demonstrate experimentally the ability of this novel photonic structure to guide electromagnetic waves (EM) through freeform waveguides of arbitrary shape.

Disordered structures offer new mechanisms for forming photonic bandgaps and unprecedented freedom in functional-defect designs. To circumvent the computational challenges of disordered systems, we construct modular macroscopic samples of the new class of PBG materials and use microwaves to characterize their scale-invariant photonic properties, in an easy and inexpensive manner.

Usando microondas e amostras macroscópicas de dielétricos sólidos para estudar as propriedades fotônicas de desordenados fotônicos Bandgap Materiais

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

Integrando um Triplet-triplete Annihilation Sistema Up-conversion para melhorar Dye-sensibilizadas Response célula solar para a Luz Sub-bandgap

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

A Plataforma de testes de durabilidade Estudos de Polímeros e reforçado com fibra de polímero Composites, sob estímulo Concurrent Hygrothermo-mecânico

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Electron Canalização Contraste de imagem para Rápido III-V heteroepitaxiais Caracterização

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve the solar conversion efficiency of a concentrated photovoltaic system. The proposed system will also lower the solar cell cost in the concentrated photovoltaic system by replacing the expensive tandem solar cells with the cost-effective single junction solar cells. The structures and the parameters of high contrast gratings for the dispersive elements were numerically optimized. The large-area fabrication of high contrast gratings was experimentally demonstrated using nanoimprint lithography and dry etching. The quality of grating material and the performance of the fabricated device were both experimentally characterized. By analyzing the measurement results, the possible side effects from the fabrication processes are discussed and several methods that have the potential to improve the fabrication processes are proposed, which can help to increase the optical efficiency of the fabricated devices.

The fabrication of high contrast gratings as the parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system is demonstrated. Fabrication processes including nanoimprint lithography, TiO2 sputtering and reactive ion etching are described. Reflectance measurement results are used to characterize the optical performance.

Fabricação de grades de alto contraste para o Splitting Spectrum dispersivo Elemento em um sistema fotovoltaico concentrado

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve ...

Spark Plasma Sintering Apparatus Used for the Formation of Strontium Titanate Bicrystals

A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with one twist grain boundary. This apparatus utilizes high uniaxial pressure and a pulsed direct current for rapid consolidation of material. Diffusion bonding of strontium titanate bicrystals without fracture, in a spark plasma sintering apparatus, is possible at high pressures due to the unusual temperature dependent plasticity behavior of strontium titanate. We demonstrate a method for the successful formation of bicrystals at accelerated time scales and lower temperatures in a spark plasma sintering apparatus compared to bicrystals formed by conventional diffusion bonding parameters. Bond quality was verified by scanning electron microscopy. A clean and atomically abrupt interface containing no secondary phases was observed using transmission electron microscopy techniques. Local changes in bonding across the boundary was characterized by simultaneous scanning transmission electron microscopy and spatially resolved electron energy-loss spectroscopy.

A viable technique for the formation of strontium titanate bicrystals at high pressure and fast heating rate via the spark plasma sintering apparatus is developed.

Faísca Plasma Sintering aparelho utilizado para a Formação de titanato de estrôncio Bicrystals

A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with ...

Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low velocity fire wind tunnel where two distinct layers of fuel were constructed to represent surface and crown fuels in chaparral. Chamise, a common chaparral shrub, comprised the live crown layer. The dead fuel surface layer was constructed with excelsior (shredded wood). We developed a methodology to measure mass loss, temperature, and flame height for both fuel layers. Thermocouples placed in each layer estimated temperature. A video camera captured the visible flame. Post-processing of digital imagery yielded flame characteristics including height and flame tilt. A custom crown mass loss instrument developed in-house measured the evolution of the mass of the crown layer during the burn. Mass loss and temperature trends obtained using the technique matched theory and other empirical studies. In this study, we present detailed experimental procedures and information about the instrumentation used. The representative results for the fuel mass loss rate and temperature filed within the fuel bed are also included and discussed.

This protocol describes wind tunnel experiments designed to study the transition of a fire from the ground to the canopy of chaparral shrubs.

Experiências de túnel de vento para estudar Chaparral coroa fogos

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

Concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para ultra-som extra corpórea

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

Fabric Moisture Uniform Control to Study the Influence of Air Impingement Parameters on Fabric Drying Characteristics

Impinging dryness is now a widely used and effective way for fabric drying due to its high heat and mass transfer coefficient. Previous studies on fabric drying have neglected the contributions of moisture uniformity and diffusion coefficient to the drying process; though, they have recently been shown to have a significant influence on drying characteristics. This report outlines a step-by-step procedure to investigate the effects of air impingement parameters on a fabric&#39;s drying characteristics by controlling the uniformity of its area moisture distribution. A hot air blower unit equipped with an angle adjustable nozzle is used to generate air flow with different velocities and temperatures while the drying process is recorded and analyzed using an infrared thermograph. In addition, a uniform padder is adapted to ensure the fabric&#39;s moisture uniformity. Impinging drying is studied under different initial conditions by changing the air flow temperature, velocity, and direction, then the applicability and suitability of the protocol are evaluated.

Presented here is a protocol that guarantees uniform distribution of initial moisture inside of a fabric and investigates the effects of hot-air thermodynamic parameters (velocity, temperature, and direction) and thickness on the fabric&#39;s drying characteristics (e.g., temperature variation) under the condition of air impingement.

Controle uniforme da umidade da tela para estudar a influência de parâmetros do impacto do ar em características de secagem da tela

Impinging dryness is now a widely used and effective way for fabric drying due to its high heat and mass transfer coefficient. Previous studies on fabric ...