Fin ray-inspired, Origami, Small Scale Actuator for Fin Manipulation in Aquatic Bioinspired Robots

要約

魚の移動は、ヒレを操作して周囲の水との複雑な相互作用を促進し、推進力を可能にする、ヒレの活発に変形可能な骨状の棒によって可能になります。
生物学的なひれすじの性能と運動学を工学的な観点から再現することは困難な課題であり、これまで実現されていませんでした。
この研究では、魚のひれすじの機能ダイナミクスをエミュレートするように設計された、ひれすじにヒントを得た折り紙の電磁腱駆動 (FOLD) アクチュエーターのプロトタイプを紹介します。
このアクチュエータは、平らなレーザーカットされたポリプロピレンフィルムから折り紙/切り紙と紙接合技術を使用して数分で構築され、0.80 (\$1) と低コストで、組み立てが簡単で、100 万サイクル以上の耐久性があります。
私たちはその小さなサイズを利用して、4 つの自由度で泳ぐことができる長さ 135 mm のイカ ロボットの 2 つのフィン膜に 8 つを埋め込みました。
我々は、7.6 時間のビデオからの 1015 個のデータ ポイントを含む広範な運動学および水泳パラメトリック研究を紹介します。この研究は、最適な運動学パラメーターを決定し、水生動物で観察される理論定数を検証するために使用されています。
特に、この研究では、起伏パターン、動力分布、移動効率の間の微妙な相互作用が調査されており、エネルギー効率の高い推進と生体からインスピレーションを得たシステムの制御を研究するためのモデルシステムとしてのアクチュエータの可能性が強調されています。
アクチュエータの多用途性は、魚やクラゲに組み込むことでさらに実証されます。

要約(オリジナル)

Fish locomotion is enabled by fin rays-actively deformable boney rods, which manipulate the fin to facilitate complex interaction with surrounding water and enable propulsion. Replicating the performance and kinematics of the biological fin ray from an engineering perspective is a challenging task and has not been realised thus far. This work introduces a prototype of a fin ray-inspired origami electromagnetic tendon-driven (FOLD) actuator, designed to emulate the functional dynamics of fish fin rays. Constructed in minutes using origami/kirigami and paper joinery techniques from flat laser-cut polypropylene film, this actuator is low-cost at {\pounds}0.80 (\$1), simple to assemble, and durable for over one million cycles. We leverage its small size to embed eight into two fin membranes of a 135 mm long cuttlefish robot capable of four degrees of freedom swimming. We present an extensive kinematic and swimming parametric study with 1015 data points from 7.6 hours of video, which has been used to determine optimal kinematic parameters and validate theoretical constants observed in aquatic animals. Notably, the study explores the nuanced interplay between undulation patterns, power distribution, and locomotion efficiency, underscoring the potential of the actuator as a model system for the investigation of energy-efficient propulsion and control of bioinspired systems. The versatility of the actuator is further demonstrated by its integration into a fish and a jellyfish.

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