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. Digitalizar un ejemplar de un León Foreflipper Mar <ol><li> Analiza una muestra de un foreflipper león de mar. <ol><li> Obtener una muestra de una aleta de lobos marinos de un individuo fallecido (Figura 1a). NOTA: En nuestro caso, que se obtuvieron del parque zoológico Smithsonian en Washington, DC </li><li> Colgar el foreflipper verticalmente desde su base (en el que el foreflipper se une al cuerpo del animal). Esto permite que tanto la aleta sea recta cuando se escanea, y expone toda la superficie de escaneado. </li><li> Aleta de escaneado mediante una alta resolución de escáner de luz estructurada, con una precisión de aproximadamente 0,5 mm, y el error de aproximadamente 0,1 mm (Figura 1b). </li></ol></li><li> Importe la nube de puntos en el software de CAD y lo hacen como una superficie. Para ello, haga clic en &quot;Abrir&quot; y seleccione el archivo .obj deseada. Haga clic en &quot;Importar&quot; para importar el archivo en el software de CAD. </li><li> Manipular la nube de puntos resultante utilizandoun diseño (CAD) de software asistida por ordenador haciendo clic en &#39;corte extruido&#39; y cortar la parte de carne (parte no deseada) de la exploración. A continuación, haga clic en &quot;Escala&quot; para obtener la escala apropiada para la aleta robótico (68% del tamaño completo). Inspeccionar la aleta de captura suficiente detalle mediante la comparación de la muestra original (Figura 2). </li><li> Crear el molde alrededor de la aleta. <ol><li> En un software CAD, utilizar las superficies de aleta para formar un molde mediante la creación de un volumen circundante alrededor de la superficie aleta. Para ello, la extrusión de un bloque rectangular haciendo clic en &quot;Bosquejo &#39;para dibujar un rectángulo y luego extrusión a más de la altura de la aleta para abarcar por completo. </li><li> Haga clic en &#39;Asamblea&#39; e importar ambas partes (flippers y de bloque rectangular) en el área de trabajo. Haga clic en &#39;mate&#39; y hacer el plano frontal y superior, tanto de la aleta y el moho como coincidentes. Esto coloca automáticamente la aleta en el interior del molde. </li><li> select el molde del gestor de diseño y haga clic en &#39;Editar pieza&#39;. Una vez que se selecciona la pieza, haga clic en &quot;Insertar&gt; Características&gt; Cavidad &#39;para hacer una cavidad de la aleta en el interior del molde. Dibuje una línea en el centro del molde rectangular y haga clic en &#39;Split&#39; para formar dos partes de un mismo molde. </li><li> Haga clic en &quot;parte cortada &#39;para separar el volumen circundante en dos partes para la extracción de aleta fácil. Inserte cavidades y las clavijas en cada mitad del volumen y guardarlo como parte de uno y dos del molde aleta (Figura 3). </li><li> Convertir archivos de la &#39;.SLDRPT&#39; del molde para &#39;.STL&#39;. Importar estos archivos en el software propietario de la impresora 3D y haga clic en &quot;Imprimir&quot; para generar el molde impreso en 3D. </li></ol></li></ol> 2. Diseñar la estructura ósea <ol><li> Abra la foreflipper digital en un software de CAD y obtener una imagen del león de mar foreflipper estructura ósea de referencia (por ejemplo, Figura1 en Inglés, 1977 19). </li><li> Diseño de tres piezas diferentes que imitan la estructura ósea que se ajuste dentro del modelo digital de la foreflipper. A lo largo de este procedimiento, &quot;base&quot; se refiere al extremo de una parte más cerca de la base de la foreflipper y &#39;punta&#39; se refiere al extremo de la parte más cerca de la punta de la foreflipper. <ol><li> Pieza Base <ol><li> Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la articulación del hombro y de la muñeca de la aleta del león de mar (las mediciones se obtienen usando la cinta de medición). Para ello, utilice un software de CAD haciendo clic en &quot;Esbozo&quot; y el diseño de la forma de la pieza base (Figura 4). </li><li> Añadir nudillos en ambos extremos de la parte haciendo clic en &quot;Bosquejo &#39;y dibujar dos círculos. Haga clic en &quot;extrusión de salientes&quot; para dar forma la longitud deseada desde el plano de la pieza base. Haga clic en el dibujo del círculo más pequeño que cortar en la extrusión haciendo clic en &quot;Cortar Extruir &#39;para hacerespacio para el eje. Para reforzar esta unión, haga clic en &#39;filete&#39; para suavizar las articulaciones afilados. NOTA: Las dimensiones de los círculos dependen del tamaño del árbol que se utiliza durante el montaje de la aleta en la parte superior del canal de flujo de agua. En nuestro caso, el diámetro del círculo más pequeño es de 0,5 pulgadas y el círculo más grande es de 1 pulgadas. El extremo de la base va a estar sentado fuera de la geometría de la piel aleta, por lo que el tamaño del nudillos no entra dentro de las limitaciones de la piel. </li></ol></li><li> Pieza media <ol><li> Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la articulación de la muñeca y de la junta articulada de un león marino. Para ello, al hacer clic en &#39;Croquis&#39; y dibujar la forma deseada (como se muestra en la Figura 4b) en un avión. Una vez que la geometría está diseñado, haga clic en &#39;Extrusión&#39; para obtener la forma tridimensional básica de la pieza intermedia. Introducir la longitud extruido como 0.1650 pulgadas. NOTA: La forma deseada de la pieza mediaen nuestro experimento es un trapezoide con una altura de 2,25 pulgadas y la longitud de las dos bases como 1.625 y 0.850 pulgadas respectivamente. </li><li> Añadir nudillos en ambos extremos. Para ello, tal como se describe en el paso 2.2.1.2. El diámetro del corte extruido es 0,125 pulgadas. Conectar los nudillos en el extremo de base al extremo de punta de la pieza de base con un eje para formar una bisagra en representación de la articulación de la muñeca. NOTA: Los nudillos necesitan para encajar dentro del volumen de la foreflipper, por lo que el diseño en consecuencia. </li><li> Añadir una torre de aproximadamente 1 cm de altura con el extremo de la punta de la pieza en ambos lados. <ol><li> Para añadir una torre, haga clic en &#39;Boceto&#39; y dibuje un rectángulo en la base del modelo. Extruir el croquis seleccionando el dibujo y haciendo clic en &#39;extrusión de salientes&#39;. El espesor de la torre en este caso particular es 0,165 pulgadas. </li><li> Haga clic en &quot;Filete&quot; y seleccione el modelo y uno de los bordes de la torre extruido. Esto fortalece la articulación aguda, donde la torre y el base de la pieza intermedia están conectados. No hay problema si la torre sobresale de la geometría de la piel. La torre debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar las fuerzas generadas durante un aplauso aleta. Ver Figura 4 para referencia. </li></ol></li></ol></li><li> Pieza punta <ol><li> Hacer que la longitud de esta pieza proporcional a la distancia entre la rótula y la punta del hueso del dedo más largo de un león marino. Para ello, al hacer clic en &#39;Croquis&#39; y dibujar la forma deseada en un avión. Una vez que la geometría está diseñado, haga clic en extrusión para obtener la forma tridimensional básica de la pieza de punta. </li><li> Añadir nudillos en ambos extremos. Para ello, tal como se describe en el paso 2.2.1.2. El diámetro de la corte extruido debe ser igual al diámetro del eje, que en este experimento es 0,125 pulgadas. Los nudillos en el extremo de base estarán conectados al extremo de punta de la pieza intermedia con un eje para formar una bisagra en representación de la junta articulada. La geometría de estos KNUckles tiene que caber dentro de la geometría de la piel foreflipper, por lo que diseñar en consecuencia. </li><li> Añadir una torre de aproximadamente 1 cm de altura para el extremo de base de la pieza en ambos lados. Para ello, se describe en el paso 2.2.2.3. El espesor de la torre en este caso particular es 0,165 pulgadas. No hay problema si la torre sobresale de la geometría de la piel. La torre debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar las fuerzas generadas durante un aplauso aleta. Vea la Figura 5 para referencia. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Creación de una aleta <ol><li> 3D imprimir el esqueleto (base, piezas de medios y de punta) de la aleta. Convertir el archivo &#39;.SLDRPT&#39; de CAD a &#39;.STL&#39; y la importación en el software propietario de la impresora y haga clic en &quot;Imprimir&quot;. NOTA: Las instrucciones de impresión son diferentes para cada impresora. <ol><li> Reforzar los nudillos de la parte media y la punta con un adhesivo (epoxi) y los hilos de carbono. Para hacer esto, cortar en carbohidratosen las roscas de la longitud de 0,750 pulgadas. Aplicar adhesivo a las estructuras óseas impresas en 3D y sentar las discusiones sobre los nudillos. No es necesario reforzar las grandes nudillos en la pieza de base (Figura 5a). </li><li> Perforar los agujeros en la parte inferior de cada torre el diámetro de la cuerda de Kevlar (cadenas que serán utilizados para accionar las articulaciones). </li><li> Monte todas las piezas de hueso juntos desde base hasta la punta usando ejes. Para ello, mediante la colocación de todos los componentes en una mesa plana como se muestra en la Figura 4. Para conectar la base y parte media, alinear los nudillos de las partes e insertar el eje. Utilizar la misma técnica para conectar el centro y la pieza de punta juntos. Utilice un adhesivo en cada extremo de cada eje para asegurar el eje no se mueve lateralmente (Figura 5b). </li><li> Cortar tubos de plástico para el siguiente período. Corte cuatro tubos de la longitud de la pieza ósea de base (1 L = 8 cm) y dos tubos de la longitud de la pieza intermedia (L2 = 6 cm). </li><li> Cortar 4 trozos de Kevcadena lar, cada 3 pies de largo. </li><li> Deslice una cadena a través de un tubo L1 y luego un tubo L2. Deslice otra cadena a través de un tubo de L1. Repetir el proceso con el resto de los tubos y cuerdas. </li><li> Colocar los tubos en la parte superior de las estructuras óseas y utilizar una cinta adhesiva transparente para mantenerlos en su posición de forma temporal. El uso de un adhesivo, se adhieren a los tubos de la estructura ósea y luego retire las cintas. NOTA: No hay una posición específica en la que los tubos tienen que ser colocados, el aspecto crítico es que sólo les pegan en la superficie de la estructura. Utilice la figura 5c como pauta. </li><li> Pase el cordón de Kevlar a partir de L 1 tubo y el tubo de L2 a través de los agujeros perforados en las piezas de punta y medias como se describe en el paso 3.1.2. Hacer una pequeña pero segura nudo una vez que la cadena es a través del agujero (Figura 5d). </li></ol></li><li> Adición de la piel de la aleta para crear una aleta final. <ol><li> Medir 200 ml de silícicoen medio y de silicio en dos recipientes diferentes. </li><li> Verter estos dos líquidos en un recipiente de acero. Añadir diluyente de pintura (no más de 10% del peso de la mezcla total) a la mezcla para facilitar el transporte y mezcla. </li><li> Use una batidora para mezclar la mezcla a fondo durante 3 - 4 min. El color puede ser añadido en este paso para lograr los efectos visuales deseados. Si una batidora de pie no está disponible, utilizar una batidora para que se mezcle, teniendo cuidado de raspar los lados y el fondo del recipiente. </li><li> Inserte una varilla en los nudillos de la parte de base y alinearla con los nudillos del molde aleta. Cuando las clavijas encajan en las cavidades del molde, la estructura ósea se alinea perfectamente en el molde aleta. Mientras que mantener presionadas las dos partes del molde, asegurar las partes mediante el uso de una pinza para la compresión añadido (este paso es fundamental para que la mezcla de silicio no se escapa de la brecha entre las dos partes). </li><li> Una vez que la mezcla se mezcla, se vierte cuidadosamente en el molde hasta que los nudillos más altasde la estructura ósea. La exudación de líquido desde el orificio inferior del molde es una muestra de la mezcla siendo distribuidos de manera uniforme. En el inicio de esta, tapar el agujero para evitar aún más el flujo del líquido. Dejar el líquido para curar durante cuatro horas antes de retirar el robot aleta del molde (véase la Figura 6). </li></ol></li></ol> 4. montaje <ol><li> Para montar el foreflipper silicio en el canal de flujo de agua (figura 7), crear una estructura de montaje. Se muestra una representación CAD del conjunto acabado. (Figura 8). <ol><li> Diseñar una placa con un corte extruido con cuidado el uso de software de CAD. Haga clic en &quot;Esbozo&quot; y dibujar un rectángulo de dimensiones 14 x 19 pulgadas (la altura no importa cuando el cortador láser utiliza un archivo .dwg). Use una hoja rectangular de acero como la base para la fabricación de esta placa. Cargar un dibujo en dos dimensiones desde el software de CAD en un ordenador conectado a un cortador láser de acero para alcanzar los cortes deseados. NOTA: Thicasas s de la placa del motor y el recorte de los que permite el sistema de poleas para el trabajo. La anchura de la placa es igual a la anchura del canal de flujo de agua, lo que facilita el deslizamiento de la placa sobre el canal. Este tipo de colocación ayuda a facilitar la extracción del conjunto de montaje para reemplazar las piezas o el modelo foreflipper. </li><li> Fijar la foreflipper y la polea sobre un eje, que se desliza en una viga triangular. NOTA: Un sistema de tres polea se implementa para transferir el par / potencia desde el motor a la varilla. </li><li> Utilice cojinetes a cada lado para ayudar a la varilla para girar suavemente. Para restringir el movimiento de la varilla en la dirección lateral, coloque collares de eje en cada extremo del eje. </li></ol></li><li> Establecer el movimiento de la aleta mediante la selección de la función de avance lento en el conductor. Al pulsar el botón &#39;Up&#39; gira la aleta hacia la derecha y el botón &quot;abajo&quot;, se gira en sentido antihorario aleta. El controlador permite el cambio de las revoluciones por minuto del motoreje de acuerdo con las instrucciones del manual de 20. </li><li> Insertar el puerto de colorante en ángulo recto en el agua y aumentar la presión en el sistema de colorante. Ajustar la velocidad del colorante a la velocidad de corriente libre del agua por lo que el colorante se presenta como un solo filamento liso. Girar la aleta de modo que el colorante interactúa y queda atrapado con los vórtices generados resultantes. </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.

El aparato robótico aleta nos permitirá comprender la hidrodinámica de la natación león marino de California. Esto incluye la producción de empuje trazo básico (el &quot;aplauso&quot;), así como las variaciones no físicos que los estudios en animales no pueden investigar. La aleta de la robótica ha sido diseñado para la flexibilidad experimental, por lo tanto, el paso 3, donde la aleta en sí está hecho-es fundamental en la obtención de los resultados deseados. Aunque este aparato es, claramente, sólo un m...

Aunque los científicos han investigado las características básicas de la natación del león marino (energética, coste del transporte, coeficiente de resistencia aerodinámica, la velocidad lineal y la aceleración 1-3, carecemos de información sobre la dinámica de fluidos del sistema. Sin este conocimiento, que limitan el potencial de alta velocidad , aplicaciones de ingeniería de alta capacidad de maniobra a la aleta (BCF) modelos de locomoción de cuerpo caudal 4. al caracterizar un paradigma de natación diferente, esperamos ampliar nuestro catálogo de herramientas de diseño, específicamente los que tienen el potencial de permitir más tranquilas formas, sigilosos de natación. Así , estudiamos el mecanismo fundamental de lobo de mar nadando a través de la observación directa del león marino de California y las investigaciones de laboratorio usando un león marino robótico foreflipper 5,6. Para ello, vamos a emplear una técnica muy utilizada para explorar los sistemas biológicos complejos: una plataforma robótica 7. Varios estudios de locomoción-both de caminar y nadar 8,9 10 -tienen ha basado en ya sea 11 o complejos altamente simplificados 12 modelos mecánicos de los animales. Típicamente, las plataformas robóticas conservan la esencia del modelo de sistema, al tiempo que permite a los investigadores a explorar grandes espacios de parámetros 13-15. Aunque no siempre es la caracterización de todo el sistema, tanto que se aprende a través de estas plataformas que aíslan un solo componente de un sistema locomotor. Por ejemplo, el funcionamiento fundamental de propulsores inestables, como la palma de ida y barrido de una aleta caudal durante la natación carangiform, ha sido intensamente explorada a través de investigaciones experimentales de cabeceo y / o paneles agitado 12,16,17,18. En este caso, podemos aislar ciertas modalidades de esta moción complejos de forma que los estudios basados ​​en animales no pueden. Los aspectos fundamentales de la propulsión a continuación, se pueden utilizar en el diseño de los vehículos que no necesitan la evolución complejidad biológica ofrece. <p class=&quot;Jove_content&quot;&gt; En este trabajo, presentamos una nueva plataforma para la exploración de la fase de &quot;clap &#39;del león marino de empuje que producen derrame cerebral. Sólo un único foreflipper-la &#39;roboflipper&#39;-está incluido en la plataforma. Su geometría se deriva precisamente de las exploraciones biológicas de un león marino de California (Zalophus californianus) espécimen. El roboflipper es accionado para replicar el movimiento de los animales derivados de los estudios anteriores 1. Esta aleta robótico será utilizado para investigar el comportamiento hidrodinámico del lobo de mar nadando y para explorar un espacio de parámetros más amplio que los estudios en animales, en particular los de los grandes mamíferos acuáticos, puede rendir.

<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

El león marino de California (Zalophus californianus), es un nadador ágil y potente. A diferencia de muchos nadadores exitosos (delfines, atún), que generan la mayor parte de su empuje con sus grandes aletas delanteras. Este protocolo describe una plataforma robótica diseñado para estudiar el comportamiento hidrodinámico de la natación león marino de California (Zalophus californianus). El robot es un modelo de foreflipper del animal que es accionado por los motores de replicar el movimiento de su carrera de propulsión (la &quot;palmada&quot;). La cinemática de accidente cerebrovascular propulsora del león de mar se extraen de los datos de vídeo de la no investigación leones marinos sin marcar, en el Parque Zoológico Smithsonian (SNZ). Estos datos forman la base del movimiento de accionamiento de la aleta robótico que aquí se presenta. La geometría de la aleta robótico se basa en una exploración por láser de alta resolución de un foreflipper de un adulto hembra de león marino, reducido a aproximadamente el 60% de la aleta a gran escala. El modelo articulado tiene tres jUNTOS, imitando el codo, la muñeca y la junta articulada de la foreflipper león marino. La plataforma robótica coincide con las propiedades de la dinámica de Reynolds número y la punta de velocidad del animal cuando se acelera desde el reposo. La aleta robótico puede ser utilizado para determinar el rendimiento (fuerzas y pares de torsión) y flowfields resultantes.

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

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

Una plataforma robótica se describe que será utilizado para estudiar el rendimiento fuerzas y flowfields-natación del león marino de California hidrodinámicas. El robot es un modelo de foreflipper del animal que es accionado por los motores de replicar el movimiento de su carrera de propulsión (la &quot;palmada&quot;).

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

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

7.9K vistas.  The George Washington University.  Una plataforma robótica se describe que será utilizado para estudiar el rendimiento fuerzas y flowfields-natación del león marino de California hidrodinámicas. El robot es un modelo de foreflipper del animal que es accionado por los motores de replicar el movimiento de su carrera de propulsión (la "palmada"). 

Video: 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.

Un nuevo método para evaluar la función Miembro Anterior proximal y distal de la rata: el Irvine, Beatties y Bresnahan (IBB) Escala Miembro Anterior

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

Investigación

Neurociencias

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.

Plataforma levantado-Air-plana con piso: un nuevo método para combinar Comportamiento con Microscopía o Electrofisiología en Awake moviéndose libremente Roedores

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

Comportamiento

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.

Reproducción automática de vídeo interactivo de Estudios de la Comunicación Animal

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.

La investigación de los procesos de aprendizaje de habilidades motoras con una robótica 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.

La tarea de supinación de mando: Un método semiautomático para evaluar la función de Forelimb en ratas

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.

Un<em&gt; In Vitro</em&gt; Preparación para Obtener y grabar programas de alimentación del motor con los movimientos fisiológicos en<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.

Grabaciones de la activación de circuitos neuronales en animales comportarse libremente

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

Biología

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.

Rata automatizada de un solo pellet alcanzando la reconstrucción tridimensional de trayectorias de patas y dígitos

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.

Modelado de deformación de aletas blandas aleteando utilizando imágenes de fluorescencia inducidas por láser plano

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

Bioingeniería

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.

Una plataforma flexible para monitorear el aprendizaje asociativo sensorial dependiente del cerebelo

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