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 und belichtet die gesamte Oberfläche für das Scannen. </li><li> Scan Wulstfahne eine hochauflösende strukturierte Lichttaster, mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 mm, und Fehler von etwa 0,1 mm (1b) verwendet wird . </li></ol></li><li> Importieren Sie die Punktwolke in CAD-Software und machen sie als Fläche. Um dies zu tun, klicken Sie auf &quot;Öffnen&quot; und wählen Sie die gewünschte OBJ-Datei. Klicken Sie auf &quot;Importieren&quot;, um die Datei in die CAD-Software zu importieren. </li><li> Manipulieren die resultierende Punktwolke mitein Computer-Aided Design (CAD) Software auf &#39;Extruded Schnitt &quot;durch einen Klick und das Fleisch Teil (unerwünschten Teil) des Scan Ausschneiden. Danach klicken Sie auf &#39;Skalieren&#39; die entsprechende Skalierung für den Roboter-Flosse (68% der vollen Größe) zu erhalten. Überprüfen Sie Flipper für ausreichend detaillierte Erfassung von auf die ursprüngliche Probe zu vergleichen (Abbildung 2). </li><li> Erstellen Sie die Form um den Flipper. <ol><li> In einer CAD-Software verwenden, um die Flosse Flächen eine Form zu bilden, indem eine umgebende Volumen um die Flosse Oberfläche. Tun Sie dies durch einen rechteckigen Block Extrudieren durch einen Klick auf &#39;Sketch&#39; ein Rechteck zu zeichnen und Extrudieren es dann mehr als die Höhe des Flippers es vollständig zu umfassen. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Versammlung&quot; und importieren Sie beide Teile (Flossen- und rechteckigen Block) in den Arbeitsbereich. Klicken Sie auf &quot;Mate&quot; und machen die vorderen und oberen Ebene sowohl der Flosse und Form, wie sie übereinstimmend. Dies stellt automatisch den Schläger in der Form. </li><li> Select der Form aus dem Design Baum und klicken Sie auf &#39;Teil bearbeiten &quot;. Sobald der Teil ausgewählt ist, klicken Sie auf &quot;Einfügen&gt; Eigenschaften&gt; Cavity&quot; innerhalb der Form einen Hohlraum des Flippers zu machen. Skizzieren Sie eine Linie in der Mitte der rechteckigen Form und klicken Sie auf &#39;Split&#39; zwei Teile derselben Form zu bilden. </li><li> Klicken Sie auf &#39;Cut Part&#39; das umgebende Volumen in zwei Teile für einfache Flipper Extraktion zu trennen. Legen Sie Hohlräume und Zapfen auf jeder Hälfte des Volumens und speichern Sie es als Teil eins und zwei der Flosse Form (Abbildung 3). </li><li> Konvertieren Sie die &#39;.SLDRPT&#39; Dateien der Form &#39;.STL-&#39;. Importieren Sie diese Dateien auf die proprietäre Software des 3D-Drucker und klicken Sie auf &quot;Drucken&quot; die 3D-Druckgussform zu erzeugen. </li></ol></li></ol> 2. Aufbau der Knochenstruktur <ol><li> Öffnen Sie die digitale foreflipper in einer CAD-Software und erhalten ein Bild des Seelöwe foreflipper Knochenstruktur als Referenz (wie Zahl1 in Englisch, 1977 19). </li><li> Entwerfen Sie drei verschiedene Stücke, die die Knochenstruktur nachahmen, die innerhalb des digitalen Modells des foreflipper passen. In diesem Verfahren, &quot;Basis&quot; bezieht sich auf das Ende eines Teils näher an der Basis des foreflipper und &quot;Spitze&quot; bezieht sich auf das Ende des Teils näher an der Spitze des foreflipper. <ol><li> Basisstück <ol><li> Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Schultergelenk und das Handgelenk des Seelöwe Flippers (Messungen werden mit Maßband). Tun Sie dies , eine CAD - Software , indem Sie auf &#39;Sketch&#39; und der Gestaltung der Form des Grundstücks (Abbildung 4). </li><li> In Knöchel an den beiden Enden des Teils durch einen Klick auf &#39;Sketch&#39; und zeichnen zwei Kreise. Klicken Sie auf &quot;Boss extrudieren&quot;, um die gewünschte Länge aus der Ebene des Grundstücks zu extrudieren. Klicken Sie auf die Skizze des kleineren Kreises in die extrudieren schneiden von &#39;Cut extrudieren &quot;klicken, umRaum für die Welle. Um dieses gemeinsame stärken, klicken Sie auf &quot;Fillet&quot; die scharfen Gelenke zu glätten. HINWEIS: Die Abmessungen der Kreise abhängig von der Größe der Welle während der Montage des Flipper auf dem Wasserkanal verwendet werden. In unserem Fall ist der Durchmesser des kleineren Kreises von 0,5 Zoll und die größeren Kreis 1 Zoll. Das Basisende wird außerhalb der Flosse Haut Geometrie sitzen, so dass die Größe der Knöchel unter den Zwängen der Haut nicht fallen. </li></ol></li><li> Mittelstück <ol><li> Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Handgelenk und dem Gelenkkopf eines Seelöwen. Tun Sie dies , indem Sie auf &#39;Sketch&#39; und skizzieren die gewünschte Form (wie in 4b gezeigt) auf einer Ebene. Sobald die Geometrie ausgebildet ist, klicken Sie auf &quot;extrudieren&quot;, um die grundlegende dreidimensionale Form des Mittelstücks erhalten. Geben Sie die extrudierte Länge als 0,1650 Zoll. HINWEIS: Die gewünschte Form des Mittelstücksin unserem Experiment ist ein Trapez mit einer Höhe von 2,25 Zoll und die Länge der beiden Basen als 1,625 und 0,850 Zoll auf. </li><li> Hinzufügen Knöchel an beiden Enden. Tun Sie dies, wie in Schritt 2.2.1.2 beschrieben. Der Durchmesser des extrudierten Schnitt 0,125 Zoll. Verbinden der Knöchel an dem Basisende zu dem Spitzenende des Basisteils mit einem axel ein Scharnier zu bilden, das Handgelenk darstellt. HINWEIS: Die Knöchel müssen innerhalb des Volumens des foreflipper passen, so entsprechend zu gestalten. </li><li> In einem Turm etwa 1 cm in der Höhe bis zur Spitze Ende des Stückes auf beiden Seiten. <ol><li> Um einen Turm hinzuzufügen, klicken Sie auf &#39;Sketch&#39; und ein Rechteck auf der Basis des Modells skizzieren. Extrudieren die Skizze durch die Skizze auswählen und auf &quot;Boss extrudieren&quot;. Die Dicke des Turms in diesem besonderen Fall ist 0,165 Zoll. </li><li> Klicken Sie auf &quot;Fillet&quot; und wählen Sie das Modell und eine Kante des extrudierten Turm. Dies stärkt die scharfe gemeinsame wo der Turm und die base des Mittelstücks verbunden sind. Es ist in Ordnung, wenn der Turm von der Geometrie der Haut herausragt. Der Turm sollte dick genug sein, um die Kräfte, die während eines Flippers klatschen aushalten zu können. Siehe Abbildung 4 Referenz. </li></ol></li></ol></li><li> Spitzenstück <ol><li> Stellen Sie die Länge dieses Stückes proportional zum Abstand zwischen dem Gelenkkopf und der Spitze des längsten Fingerknochen eines Seelöwen. Tun Sie dies, indem Sie auf &#39;Sketch&#39; und Skizzieren einer gewünschten Form auf einer Ebene. Sobald die Geometrie ausgelegt ist, klicken Sie auf extrudieren, um die grundlegende dreidimensionale Form der Spitze Stück bekommen. </li><li> Hinzufügen Knöchel an beiden Enden. Tun Sie dies, wie in Schritt 2.2.1.2 beschrieben. Der Durchmesser des extrudierten Schnitt sollte dem Durchmesser der Achse, die in diesem Experiment ist 0,125 Zoll betragen. Die Knöchel an dem Basisende mit einer Achse an dem vorderen Ende des Mittelstücks verbunden werden, um ein Scharnier zu bilden, die Gelenkverbindung darstellt. Die Geometrie dieser knuckles muß innerhalb der Geometrie der foreflipper Haut, so entwerfen entsprechend zu passen. </li><li> In einem Turm etwa 1 cm in der Höhe an dem Basisende des Stücks auf beiden Seiten. Tun Sie dies in Schritt 2.2.2.3 beschrieben. Die Dicke des Turms in diesem besonderen Fall ist 0,165 Zoll. Es ist in Ordnung, wenn der Turm von der Geometrie der Haut herausragt. Der Turm sollte dick genug sein, um die Kräfte, die während eines Flippers klatschen aushalten zu können. Siehe Abbildung 5 Referenz. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Erstellen eines Flipper <ol><li> 3D-Druck das Skelett (Basis, Mitte und Spitze Stücke) des Flippers. Konvertieren Sie die &#39;.SLDRPT&#39; Datei von CAD zu &quot;.STL- &#39;und importieren Sie es in die proprietäre Software des Druckers und klicken Sie auf&#39; Drucken &#39;. HINWEIS: Die Druckanweisungen für jeden Drucker unterschiedlich sind. <ol><li> Stärkung der Knöchel des mittleren und Spitzenstück mit einem Kleber (Epoxy) und Carbonfäden. Um dies zu tun, schneiden carbauf Fäden der Länge 0,750 Zoll. Klebstoff auf den 3D-Druck Knochenstrukturen und legen die Fäden über den Knöcheln. Es ist nicht erforderlich , die große Knöcheln auf dem Basisteil (5a) zu verstärken. </li><li> Die Bohrungen an der Unterseite jeder Turm, den Durchmesser der Kevlar-String (Zeichenfolgen, die verwendet werden, um die Gelenke zu betätigen). </li><li> Montieren Sie alle Knochenteile zusammen von der Basis unter Verwendung von Achsen zu kippen. Tun Sie dies , indem Sie alle Komponenten auf einen flachen Tisch platzieren , wie in Abbildung 4 dargestellt. Um die Basis und Mittelstück verbinden, richten Sie die Knöchel der Teile und die Achse ein. Verwenden Sie die gleiche Technik, um die Mitte und das Spitzenstück miteinander zu verbinden. Verwenden Sie einen Klebstoff an jedem Ende jeder Achse die Achse , um sicherzustellen , nicht seitlich (5b) zu bewegen. </li><li> Schneiden Sie Plastikröhrchen auf die folgende Länge. Cut vier Röhren die Länge des Basisknochenstück (L 1 = 8 cm) und zwei Röhren die Länge des Mittelstücks (L 2 = 6 cm). </li><li> Schneiden Sie 4 Stück Kevlar String, je 3 Meter in der Länge. </li><li> Schieben Sie eine Schnur durch einen L - 1 Rohr und dann eine L 2 Rohr. Schieben Sie eine andere Zeichenfolge durch eine L 1 Röhre. Wiederholen Sie den Vorgang mit den restlichen Rohren und Saiten. </li><li> Die Röhrchen auf der Oberseite der Knochenstrukturen und ein klareres Band um sie in Position vorübergehend zu halten. Mit Hilfe eines Klebstoffs, kleben Sie die Rohre auf die Knochenstruktur und dann die Bänder entfernen. Hinweis: Es gibt keine spezifische Position, in der die Rohre angeordnet werden, der kritische Aspekt ist, kleben sie nur auf der Oberfläche der Struktur. Verwenden 5c als Richtlinie. </li><li> Führen Sie die Kevlar - String aus L 1 Rohr und L 2 Rohr durch die Bohrungen auf die Spitze und Mittelstücke , wie in Schritt 3.1.2 beschrieben. Machen Sie einen kleinen , aber sicheren Knoten , wenn die Zeichenfolge das Loch (Abbildung 5d) ist durch. </li></ol></li><li> Hinzufügen der Haut des Flippers eine endgültige Wulstfahne zu schaffen. <ol><li> Messung 200 ml silicauf und Silizium Medium in zwei verschiedenen Behältern. </li><li> Gießen Sie diese beiden Flüssigkeiten in eine Stahlschale. Hinzufügen Verdünner (nicht 10% des Gewichts der Gesamtmischung übersteigt) zu dem Gemisch zur einfachen Gießen und Mischen. </li><li> Verwenden Sie einen Standmixer die Mischung gründlich 3 zu mischen - 4 min. Farbe kann in diesem Schritt zugesetzt werden, um die gewünschten visuellen Effekte zu erzielen. Wenn ein Standmixer nicht verfügbar ist, verwenden Sie einen Schneebesen zu mischen, wobei darauf geachtet, die Seiten und den Boden des Behälters zu kratzen. </li><li> Legen Sie eine Stange in den Knöcheln des Basisteils und richten Sie sie an den Knöcheln des Flippers Form. Wenn die Zapfen in die Hohlräume der Form passen, wird die Knochenstruktur perfekt in der Wulstfahne Form ausgerichtet. Während an den beiden Teilen der Form gedrückt, um die Teile zu sichern durch eine Klammer für zusätzliche Kompression (dieser Schritt ist entscheidend, so dass das Silizium-Gemisch nicht aus dem Spalt zwischen den beiden Teilen leckt). </li><li> Sobald die Mischung gemischt wird, es sorgfältig in die Form gießen, bis die oberste Knöchelder Knochenstruktur. Nässen von Flüssigkeit aus dem unteren Loch in der Form ist ein Zeichen der Mischung gleichmäßig verteilt zu werden. Zu Beginn dieser, schließen Sie das Loch eine weitere Strömung der Flüssigkeit zu vermeiden. Lassen Sie die Flüssigkeit vier Stunden aushärten , bevor der Flipper - Roboter aus der Form zu entfernen (siehe Abbildung 6). </li></ol></li></ol> 4. Montage <ol><li> Um die Silizium foreflipper auf dem Wasser Gerinne (Abbildung 7) montieren, erstellen Sie eine Montagestruktur. Ein CAD-Darstellung der fertigen Baugruppe gezeigt. (Abbildung 8). <ol><li> Entwerfen Sie eine Platte mit einem sorgfältig extrudierten Schnitt mit CAD-Software. Klicken Sie auf &#39;Sketch&#39; und zeichnen Sie ein Rechteck mit den Abmessungen 14 x 19 Zoll (die Höhe spielt keine Rolle, wie die Laser-Cutter eine DWG-Datei verwendet). Verwenden Sie ein rechteckiges Blatt aus Stahl als Basis, um diese Platte herzustellen. Laden Sie eine zweidimensionale Zeichnung aus dem CAD-Software auf einem Computer zu einem Stahllaserschneider angebracht, um die gewünschten Schnitte zu erreichen. HINWEIS: This Platte Häuser der Motor und der Schnitt in es ermöglicht das Rollensystem zu arbeiten. Die Breite der Platte ist, die der Breite des Wasser Gerinne gleich, wodurch es leichter, die Platte über der Rinne gleiten kann. Diese Art der Anordnung hilft bei der ein einfaches Entfernen der Befestigungsanordnung Teile oder foreflipper Modell zu ersetzen. </li><li> Befestigen Sie die foreflipper und die Riemenscheibe auf einer Welle, die in einem dreieckigen Fachwerk gleitet. HINWEIS: Ein Drei-Rollen-System implementiert, um die Drehmoment / Kraft vom Motor auf die Stange zu übertragen. </li><li> Verwenden Lagern auf beiden Seiten der Stange zu helfen, sanft zu drehen. Um die Bewegung der Stange in der Querrichtung beschränken, legen Wellenringe an jedem Ende der Welle. </li></ol></li><li> Stellen Sie die Bewegung der Flosse durch die Auswahl der Jogging-Funktion auf den Fahrer. Durch Drücken der Taste &quot;Nach oben&quot; dreht die Flosse im Uhrzeigersinn und die &quot;Down&quot; Taste dreht die Flosse gegen den Uhrzeigersinn. Der Fahrer kann die Umdrehungen pro Minute des Motors für den WandelWelle nach den Anweisungen im Handbuch 20. </li><li> Legen Sie die rechtwinkligen Farbstoff-Port in das Wasser und erhöhen den Druck auf das Farbstoffsystem. Die Geschwindigkeit des Farbstoffes auf die Anströmgeschwindigkeit des Wassers so der Farbstoff als eine einzige glatte Filament erscheint. Drehen Sie den Flipper, so dass der Farbstoff in Wechselwirkung tritt und wird mit den resultierenden Wirbel erzeugt gefangen. </li></ol>

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</ol>

The authors have nothing to disclose.

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><tbody><tr><td>Dragon Skin 20</td><td>Smooth-on</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dragon Skin 20 medium</td><td>Smooth-on</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Object24</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer</td></tr><tr><td>Stand Mixer</td><td>Hamilton</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PKS-PRO-E-10 System</td><td>Anaheim Automation</td><td>PKS-PRO-E-10-A-LP22</td><td>Controller and Servo Motor</td></tr><tr><td>Artec Eva</td><td>Artec 3D</td><td></td><td>3D light scanner with resolution of 0.1 mm</td></tr><tr><td>Artec Spider</td><td>Artec 3D</td><td></td><td>3D light scanner with resolution of 0.5 mm</td></tr><tr><td>Steel plate</td><td>Mcmaster</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Carbon Tow</td><td>Fibreglast</td><td>2393-A</td><td></td></tr><tr><td>Hardened Precision 440C Stainless Steel Shaft</td><td>Mcmaster</td><td>6253K49</td><td></td></tr><tr><td>Tygon PVC Clear Tubing</td><td>Mcmaster</td><td>6546T23</td><td></td></tr><tr><td>Kevlar Thread</td><td>Mcmaster</td><td></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 ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

7.9K Aufrufe.  The George Washington University.  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 "klatschen") zu replizieren. 

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

A Novel Method for Assessing Proximal and Distal Forelimb Function in the Rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) Forelimb Scale

Several experimental models of cervical spinal cord injury (SCI) have been developed recently to assess the consequences of damage to this level of the spinal cord (Pearse et al., 2005, Gensel et al., 2006, Anderson et al., 2009), as the majority of human SCI occur here (Young, 2010; www.sci-info-pages.com). Behavioral deficits include loss of forelimb function due to damage to the white matter affecting both descending motor and ascending sensory systems, and to the gray matter containing the segmental circuitry for processing sensory input and motor output for the forelimb. Additionally, a key priority for human patients with cervical SCI is restoration of hand/arm function (Anderson, 2004). Thus, outcome measures that assess both proximal and distal forelimb function are needed. Although there are several behavioral assays that are sensitive to different aspects of forelimb recovery in experimental models of cervical SCI (Girgis et al., 2007, Gensel et al., 2006, Ballerman et al., 2001, Metz and Whishaw, 2000, Bertelli and Mira, 1993, Montoya et al., 1991, Whishaw and Pellis, 1990), few techniques provide detailed information on the recovery of fine motor control and digit movement.
The current measurement technique, the Irvine, Beatties and Bresnahan forelimb scale (IBB), can detect recovery of both proximal and distal forelimb function including digit movements during a naturally occurring behavior that does not require extensive training or deprivation to enhance motivation. The IBB was generated by observing recovery after a unilateral C6 SCI, and involves video recording of animals eating two differently shaped cereals (spherical and doughnut) of a consistent size. These videos were then used to assess features of forelimb use, such as joint position, object support, digit movement and grasping technique.
The IBB, like other forelimb behavioral tasks, shows a consistent pattern of recovery that is sensitive to injury severity. Furthermore, the IBB scale could be used to assess recovery following other types of injury that impact normal forelimb function.

A Novel Method for Assessing Proximal and Distal Forelimb Function in the Rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan IBB Forelimb Scale

Here we will describe a rodent behavioral assay that can detect recovery of both proximal and distal forelimb function including digit movements during a naturally occurring behavior that does not require extensive training or deprivation to enhance motivation.

Eine neue Methode zur Beurteilung der proximalen und distalen Vordergliedmaße Funktion im Rat: Die Irvine, Beatties und Bresnahan (IBB) Vorderbein Skala

Several experimental models of cervical spinal cord injury (SCI) have been developed recently to assess the consequences of damage to this level of the ...

Forschung

Neurowissenschaften

Flat-floored Air-lifted Platform: A New Method for Combining Behavior with Microscopy or Electrophysiology on Awake Freely Moving Rodents

It is widely acknowledged that the use of general anesthetics can undermine the relevance of electrophysiological or microscopical data obtained from a living animal&#8217;s brain. Moreover, the lengthy recovery from anesthesia limits the frequency of repeated recording/imaging episodes in longitudinal studies. Hence, new methods that would allow stable recordings from non-anesthetized behaving mice are expected to advance the fields of cellular and cognitive neurosciences. Existing solutions range from mere physical restraint to more sophisticated approaches, such as linear and spherical treadmills used in combination with computer-generated virtual reality. Here, a novel method is described where a head-fixed mouse can move around an air-lifted mobile homecage and explore its environment under stress-free conditions. This method allows researchers to perform behavioral tests (e.g., learning, habituation or novel object recognition) simultaneously with two-photon microscopic imaging and/or patch-clamp recordings, all combined in a single experiment. This video-article describes the use of the awake animal head fixation device (mobile homecage), demonstrates the procedures of animal habituation, and exemplifies a number of possible applications of the method.

This method creates a tangible, familiar environment for the mouse to navigate and explore during microscopic imaging or single-cell electrophysiological recordings, which require firm fixation of the animal&#8217;s head.

Flach platt Klima angehoben Plattform: Eine neue Methode zur Kombination von Verhalten mit Mikroskopie oder Elektrophysiologie auf Awake frei bewegen Nagetiere

It is widely acknowledged that the use of general anesthetics can undermine the relevance of electrophysiological or microscopical data obtained from a ...

Verhalten

Automated Interactive Video Playback for Studies of Animal Communication

Video playback is a widely-used technique for the controlled manipulation and presentation of visual signals in animal communication. In particular, parameter-based computer animation offers the opportunity to independently manipulate any number of behavioral, morphological, or spectral characteristics in the context of realistic, moving images of animals on screen. A major limitation of conventional playback, however, is that the visual stimulus lacks the ability to interact with the live animal. Borrowing from video-game technology, we have created an automated, interactive system for video playback that controls animations in response to real-time signals from a video tracking system. We demonstrated this method by conducting mate-choice trials on female swordtail fish, Xiphophorus birchmanni. Females were given a simultaneous choice between a courting male conspecific and a courting male heterospecific (X. malinche) on opposite sides of an aquarium. The virtual male stimulus was programmed to track the horizontal position of the female, as courting males do in the wild. Mate-choice trials on wild-caught X. birchmanni females were used to validate the prototype's ability to effectively generate a realistic visual stimulus.

Video playback is a widely used technique in animal behavior. We created and evaluated a program that applies rules-based, interactive playback of 3-D computer animations in response to real-time, automated data on subject behavior.

Automatisierte Interactive Video Playback für Studies of Animal Communication

Video playback is a widely-used technique for the controlled manipulation and presentation of visual signals in animal communication. In particular, ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

Untersuchung Motorfaehigkeiten Lernprozesse mit einem Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

Drehknopf Supination Aufgabe: Eine halbautomatische Methode für die Beurteilung der Funktion der Vordergliedmaße bei Ratten

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

An In Vitro Preparation for Eliciting and Recording Feeding Motor Programs with Physiological Movements in Aplysia californica

Multifunctionality, the ability of one peripheral structure to generate multiple, distinct behaviors1, allows animals to rapidly adapt their behaviors to changing environments. The marine mollusk Aplysia californica provides a tractable system for the study of multifunctionality. During feeding, Aplysia generates several distinct types of behaviors using the same feeding apparatus, the buccal mass. The ganglia that control these behaviors contain a number of large, identified neurons that are accessible to electrophysiological study. The activity of these neurons has been described in motor programs that can be divided into two types, ingestive and egestive programs, based on the timing of neural activity that closes the food grasper relative to the neural activity that protracts or retracts the grasper2. However, in isolated ganglia, the muscle movements that would produce these behaviors are absent, making it harder to be certain whether the motor programs observed are correlates of real behaviors. In vivo, nerve and muscle recordings have been obtained corresponding to feeding programs2,3,4, but it is very difficult to directly record from individual neurons5. Additionally, in vivo, ingestive programs can be further divided into bites and swallows1,2, a distinction that is difficult to make in most previously described in vitro preparations.
The suspended buccal mass preparation (Figure 1) bridges the gap between isolated ganglia and intact animals. In this preparation, ingestive behaviors - including both biting and swallowing - and egestive behaviors (rejection) can be elicited, at the same time as individual neurons can be recorded from and stimulated using extracellular electrodes6. The feeding movements associated with these different behaviors can be recorded, quantified, and related directly to the motor programs. The motor programs in the suspended buccal mass preparation appear to be more similar to those observed in vivo than are motor programs elicited in isolated ganglia. Thus, the motor programs in this preparation can be more directly related to in vivo behavior; at the same time, individual neurons are more accessible to recording and stimulation than in intact animals. Additionally, as an intermediate step between isolated ganglia and intact animals, findings from the suspended buccal mass can aid in interpretation of data obtained in both more reduced and more intact settings. The suspended buccal mass preparation is a useful tool for characterizing the neural control of multifunctionality in Aplysia.

An In Vitro Preparation for Eliciting and Recording Feeding Motor Programs with Physiological Movements in Aplysia californica

We describe a technique to extracellularly record and stimulate from nerves, muscles, and individual identified neurons in vitro while eliciting and observing different types of feeding behaviors in the feeding apparatus of Aplysia.

Ein<em&gt; In Vitro</em&gt; Vorbereitung zur Auslösung und Aufzeichnung Feeding Motor Programme mit Physiologische Bewegungen in<em&gt; Aplysia californica</em

Multifunctionality, the ability of one peripheral  structure to generate multiple, distinct behaviors1, allows animals  to rapidly adapt their behaviors ...

Recordings of Neural Circuit Activation in Freely Behaving Animals

The relationship between patterns of neural activity and corresponding behavioral expression is difficult to establish in unrestrained animals. Traditional non-invasive methods require at least partially restrained research subjects, and they only allow identification of large numbers of simultaneously activated neurons. On the other hand, small ensembles of neurons or individual neurons can only be measured using single-cell recordings obtained from largely reduced preparations. Since the expression of natural behavior is limited in restrained and dissected animals, the underlying neural mechanisms that control such behavior are difficult to identify. 
Here, I present a non-invasive physiological technique that allows measuring neural circuit activation in freely behaving animals. Using a pair of wire electrodes inside a water-filled chamber, the bath electrodes record neural and muscular field potentials generated by juvenile crayfish during natural or experimentally evoked escape responses. The primary escape responses of crayfish are mediated by three different types of tail-flips which move the animals away from the point of stimulation. Each type of tail-flip is controlled by its own neural circuit; the two fastest and most powerful escape responses require activation of different sets of large &#8220;command&#8221; neurons. In combination with behavioral observations, the bath electrode recordings allow unambiguous identification of these neurons and the associated neural circuits. Thus activity of neural circuitry underlying naturally occurring behavior can be measured in unrestrained animals and in different behavioral contexts.

Non-invasive measurements of neural activity patterns in freely behaving animals are obtained by combining neurophysiological recordings with high speed videography.

Recordings of Neural Circuits Aktivierung in Frei Behaving Tiere

The relationship between patterns of neural activity and corresponding behavioral expression is difficult to establish in unrestrained animals. ...

Biologie

Automated Rat Single-Pellet Reaching with 3-Dimensional Reconstruction of Paw and Digit Trajectories

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the behavior. Several automated versions of skilled reaching have been developed recently. Here, we describe a version that automatically presents pellets to rats while recording high-definition video from multiple angles at high frame rates (300 fps). The paw and individual digits are tracked with DeepLabCut, a machine learning algorithm for markerless pose estimation. This system can also be synchronized with physiological recordings, or be used to trigger physiologic interventions (e.g., electrical or optical stimulation).

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the behavior. We describe an automated version of skilled reaching with motion tracking and three-dimensional reconstruction of reach trajectories.

Automatisierte Ratte Single-Pellet Erreichen mit 3-dimensionalen Rekonstruktion von Pfoten- und Digit-Trajektorien

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the ...

Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and stealth capabilities in unmanned vehicle systems. Soft materials used in the membranes of these fin mechanisms have proven effective at increasing thrust and efficiency compared with more rigid structures, but it is essential to measure and model the deformations in these soft membranes accurately. This study presents a workflow for characterizing the time-dependent shape deformation of flexible underwater flapping fins using planar laser-induced fluorescence (PLIF). Pigmented polydimethylsiloxane fin membranes with varying stiffnesses (0.38 MPa and 0.82 MPa) are fabricated and mounted to an assembly for actuation in two degrees of freedom: pitch and roll. PLIF images are acquired across a range of spanwise planes, processed to obtain fin deformation profiles, and combined to reconstruct time-varying 3D deformed fin shapes. The data are then used to provide high-fidelity validation for fluid-structure interaction simulations and improve the understanding of the performance of these complex propulsion systems.

The present protocol involves the measurement and characterization of 3D shape deformation in underwater flapping fins built with polydimethylsiloxane (PDMS) materials. Accurate reconstruction of these deformations is essential for understanding the propulsive performance of compliant flapping fins.

Flapping Soft Fin Deformation Modeling mit planarer laserinduzierter Fluoreszenzbildgebung

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and ...

Biotechnik

A Flexible Platform for Monitoring Cerebellum-Dependent Sensory Associative Learning

Climbing fiber inputs to Purkinje cells provide instructive signals critical for cerebellum-dependent associative learning. Studying these signals in head-fixed mice facilitates the use of imaging, electrophysiological, and optogenetic methods. Here, a low-cost behavioral platform (~$1000) was developed that allows tracking of associative learning in head-fixed mice that locomote freely on a running wheel. The platform incorporates two common associative learning paradigms: eyeblink conditioning and delayed tactile startle conditioning. Behavior is tracked using a camera and the wheel movement by a detector. We describe the components and setup and provide a detailed protocol for training and data analysis. This platform allows the incorporation of optogenetic stimulation and fluorescence imaging. The design allows a single host computer to control multiple platforms for training multiple animals simultaneously.

We have developed a single platform to track animal behavior during two climbing fiber-dependent associative learning tasks. The low-cost design allows integration with optogenetic or imaging experiments directed towards climbing fiber-associated cerebellar activity.

Eine flexible Plattform zur Überwachung des kleinhirnabhängigen sensorischen assoziativen Lernens

Climbing fiber inputs to Purkinje cells provide instructive signals critical for cerebellum-dependent associative learning. Studying these signals in ...