Name: a robotic platform to study the foreflipper of the california sea lion
Uploaded: 2017-01-10T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion at JoVE.com

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. Digitalisieren einer Probe eines Sea Lion Foreflipper <ol><li> Scannen Sie ein Exemplar eines Seelöwe foreflipper. <ol><li> Besorgen Sie sich ein Exemplar von einem Seelöwen Flosse von einer verstorbenen Person (Abbildung 1a). HINWEIS: In unserem Fall wurden sie von der Smithsonian Zoological Park in Washington, DC erhalten </li><li> Hängen Sie den foreflipper vertikal von der Basis (wo die foreflipper auf den Körper des Tieres befestigt). Dies erlaubt sowohl die Flosse gerade sein, wenn gescannt ...

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	<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. 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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. 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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>

Die Roboter-Flippergerät ermöglicht es uns, die Hydrodynamik des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu verstehen. Dazu gehört auch die grundsätzliche Ausrichtung der Herstellung Hub (die &quot;clap&quot;), sowie nicht-physischen Veränderungen, die Tierversuche nicht untersuchen können. Die Roboter-Flipper ist für experimentelle Vielseitigkeit entwickelt, damit Schritt 3, wo der Flosse selbst konfektionierten ist von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Während diese Vorrichtung ist kl...

Während Wissenschaftler die grundlegenden Eigenschaften von Seelöwen schwimmen untersucht (Energetik, Transportkosten, Luftwiderstandsbeiwert, Lineargeschwindigkeit und Beschleunigung 1-3 fehlen uns Informationen über die Fluiddynamik des Systems. Ohne dieses Wissen wir Potenzial High-Speed - Begrenzung Hoch Manövrierfähigkeit Engineering - Anwendungen auf Körperschwanzflosse (BCF) Lokomotion Modelle 4. Durch ein anderes Schwimmen Paradigma zu charakterisieren, hoffen wir , unseren Katalog von Design - Tools zu erweitern, und zwar mit dem Potenzial , jene leiser, stealthier Formen Schwimmen zu ermöglichen. So untersuchen wir die grundlegenden Mechanismen von Seelöwen schwimmen durch direkte Beobachtung des Löwen Kalifornien Meer und Laboruntersuchungen einen Roboter - Seelöwe foreflipper 5,6 verwendet wird . Um dies zu tun, werden wir eine häufig verwendete Technik für die Erforschung komplexer biologischer Systeme verwenden: eine Roboterplattform 7. Mehrere Lokomotion Studien-both von 8,9 Fuß und Schwimmen 10 -Haben auf beiden Komplex 11 oder stark vereinfachte 12 mechanische Modelle von Tieren basiert. Normalerweise halten die Roboter - Plattformen , um die Essenz des Modellsystems, während es den Forschern erlaubt große Parameterräume 13-15 zu erkunden. Obwohl es nicht immer das gesamte System zu charakterisieren, viel wird über diese Plattformen gelernt, die eine einzelne Komponente eines Bewegungsapparates zu isolieren. Zum Beispiel ist die grundlegende Funktionsweise der instationären propulsors, wie der Rücken-und Her einer Schwanzflosse während carangiform Schwimmen fegen, wurde durch experimentelle Untersuchungen von Nick- und / oder wogenden Platten 12,16,17,18 intensiv erforscht. In diesem Fall können wir bestimmte Modi dieses komplexe Bewegung in einer Weise zu isolieren, dass Tierbasierte Studien nicht. Diese grundlegenden Aspekte der Antriebs kann dann in der Konstruktion von Fahrzeugen verwendet werden, die brauchen nicht die biologische Evolution Komplexität bietet. <p class=&quot;Jove_content&quot;&gt; In diesem Beitrag stellen wir eine neue Plattform für die Erkundung der &quot;clap&quot; Phase des Seelöwe Schub erzeugenden Schlaganfall. Nur ein einziges foreflipper-the &#39;roboflipper&#39;-in der Plattform enthalten. Seine Geometrie stammt genau aus biologischen Scans von einem kalifornischen Seelöwen (Zalophus californianus) Probe. Die roboflipper betätigt , um die Bewegung der Tiere aus früheren Studien 1 abgeleitet zu replizieren. Diese Roboterwender werden verwendet, um die hydrodynamischen Leistung des Schwimm Seelöwen zu untersuchen und einen größeren Parameterraum als Tierstudien zu erforschen, insbesondere der großen Meeressäuger, ergeben können.

<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

Der kalifornische Seelöwe (Zalophus californianus), ist ein agiles und leistungsstarke Schwimmer. Im Gegensatz zu vielen erfolgreichen Schwimmer (Delfine, Thunfisch), erzeugen sie die meisten ihrer Schub mit ihren großen foreflippers. Dieses Protokoll beschreibt eine Roboter - Plattform , um die hydrodynamische Leistung des Schwimm Kalifornien Seelöwe (Zalophus californianus) zu studieren entworfen. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die &quot;klatschen&quot;) zu replizieren. Die Kinematik des Vortriebs Hub des Seelöwen aus Videodaten von nicht markierten, nicht-Forschung Seelöwen am Smithsonian Zoological Park (SNZ) extrahiert. Diese Daten bilden die Grundlage der Betätigungsbewegung des Roboter Wulstfahne hier vorgestellt. Die Geometrie des Roboter Flipper basiert eine auf hochauflösenden Laser-Scan eines foreflipper eines erwachsenen weiblichen Seelöwe, skaliert auf etwa 60% des Full-Scale-Flipper. Die gelenkige Modell hat drei junkte, imitiert den Ellenbogen, Handgelenk und Knöchelgelenk des Seelöwe foreflipper. Die Roboter-Plattform passt Dynamik Eigenschaften-Reynolds-Zahl und Geschwindigkeit der Spitze-des Tieres, wenn aus der Ruhe zu beschleunigen. Die Roboter-Kippflügel verwendet werden, um die Leistung (Kräfte und Momente) und die daraus resultierenden Strömungsfelder zu bestimmen.

Das oben beschriebene Verfahren ergibt ein Robotermodell eines Seelöwen foreflipper Kalifornien. Das Modell kann auf zwei verschiedene Arten verwendet werden. Einer ist durch die Betätigung der Flosse nur an der Wurzel (Abbildung 6a). In diesem Fall setzt sich der Antriebsmotor, die Drehgeschwindigkeit des ersten Gelenks, aber die sich ergebende Bewegung der Flosse durch die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen zwischen dem flexiblen Wulstfahne und das umge...

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

Ein Roboter-Plattform beschrieben, die verwendet wird, um die hydrodynamischen Performance-Kräfte und Strömungsfelder-des Schwimm Kalifornien Seelöwen zu studieren. Der Roboter ist ein Modell des foreflipper des Tieres, die durch Motoren betätigt wird, um die Bewegung seiner propulsiven Schlaganfall (die &quot;klatschen&quot;) zu replizieren.

Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren

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

Research

JoVE Journal

Engineering

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