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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Robots nadadores tipo flagelo bacteriano
Blas M. Vinagre
25 de abril de 2018
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Índice
1 Introducción
2 Flagelo planoFormas de ondaPropulsión
3 Alternativas bajo estudioActuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
4 Lo que queda por hacer
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Robots pequeños
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Robots pequeños nadadores
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
¿Cómo de pequeños?
1 Micro–robots.Escala micrométrica.Fuerzas viscosas vs. fuerzas inerciales.
2 Nano–robots.Escala nanométrica (molecular).Entorno "browniano”.Fuerzas interatómicas e intermoleculares.Efectos cuánticos.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Su mundo
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
El sistema circulatorio llega a cualquier sitio ...
Figura: Sistema circulatorio y Re.
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Retos
Entendimiento del entorno.Cambio de paradigma.Fabricación.Propulsión.Guiado.
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Ecuación de Langevin
md2xdt2 = −ζ dx
dt+
dB(t)dt
, (1)
mx = −V ′(x)− ζx + B, (2)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Ecuación de Langevin
md2xdt2 = −ζ dx
dt+
dB(t)dt
, (1)
mx = −V ′(x)− ζx + B, (2)
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Ecuación de Langevin
Inercia negligible
ζx = −V ′(x) + B, (3)
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Motor molecular– Motor browniano
−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
Potencial Periodico Asimetrico
X/L
V(x
)/Vo
Figura: Potencial periódico asimétrico.
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Motor molecular– Motor browniano
Figura: Trinquete de Feynman.
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Navier–Stokes
Red−→V
dt= −∇p +∇2−→V , Re =
ρvsDµ
(4)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Re bajo
A bajo Re:Estamos en un mundo que es o muy viscoso, o muy lento,o muy pequeño.Dominado por bajas velocidades y pequeñas escalas.El tiempo no importa, solo la configuración.
∇p = ∇2−→V (5)
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Re bajo
A bajo Re:Estamos en un mundo que es o muy viscoso, o muy lento,o muy pequeño.Dominado por bajas velocidades y pequeñas escalas.El tiempo no importa, solo la configuración.
∇p = ∇2−→V (5)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
(a) Remo rígido (b) Remo flexible.
Figura: Movimiento recíproco – no recíproco.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Locomoción en altos Re
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Locomoción en bajos Re
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Biomimesis
Figura: Flagelos y cilios.UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Helicoidal autopropulsado
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Helicoidal autopropulsado
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Helicoidal propulsión externa
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Helicoidal propulsión externa
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Formas de ondaPropulsión
Formas de onda
Onda progresiva armónica
y(x , t) = c0 sin
(2πλ(x − Vpt)
)(6)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Formas de ondaPropulsión
Formas de onda
Onda progresiva carangiforme
y(x , t) = (c1x + c2x2) sin
(2πλ(x − Vpt)
)(7)
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Formas de ondaPropulsión
Propulsión
XVX
Vp
Y
λ
ds
FxVx
Vy
Fy
Vx sin (𝜽)
Vy sin(𝜽)Vx cos(𝜽) + Vy cos(𝜽)
Figura: Propulsión onda plana.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Formas de ondaPropulsión
Propulsión
Fuerzas
dFds
=(CN − CL)yy ′ − Vx
(CL + CN(y ′)2)
1 + (y ′)2 , (8)
Velocidad
nF = Vx6πRµ (9)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Formas de ondaPropulsión
Mecanismo de propulsión
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígido
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Elemento básico
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Descomposición del movimiento
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
10-3
Ideal
Ideal ref
Ref
Simulation
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Simulador – Analizador
microrobot
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Resultados I
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11.5
2
2.5
3
3.5
410
-3
Simulation for N = 9
Simulation for N = 6
Simulation for N = 4
Harmonic for N = 9
Harmonic for N = 6
Harmonic for N = 4
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Resultados II
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Construcción
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Actuación distribuida II: Deformación continua
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Dimensiones
Flagelo[Lb;Dh;Hb] [3mm;0,25mm;6,6µm]
Actuadores[Ha;La1;La2;La3] [1µm;0,33mm;0,87mm;1,8mm]
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Dimensiones
Flagelo[Lb;Dh;Hb] [3mm;0,25mm;6,6µm]
Actuadores[Ha;La1;La2;La3] [1µm;0,33mm;0,87mm;1,8mm]
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Parámetros onda progresiva
Tabla: Parámetros onda progresiva para simulación.
Parameter Value Descriptionc0 0 Amplitude coefficient of harmonic wave (m)c1 8,9 · 10−3 Linear amplitude coefficient of fish wave (m)c2 −0,4938 Quadratic amplitude coefficient of Carangiform wave (m)f 30 Frequency of the wave (Hz)λ 4,5 · 10−3 Wavelength (m)
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Excitación
Actuador Voltaje (V) Desfase (rad)Piezo 1 4,27 · 10−3 4π
5Piezo2 1,43 · 10−2 3π
10Piezo 3 3 · 10−2 π
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Excitación
Actuador Voltaje (V) Desfase (rad)Piezo 1 4,27 · 10−3 4π
5Piezo2 1,43 · 10−2 3π
10Piezo 3 3 · 10−2 π
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movimiento
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movimiento
Figura: Movimiento no recíproco.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movimiento
1
-1
-0.5
0.5
0
4
Figura: Drag and Lift: real motion.
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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movement of ABF
Tiempo (s)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Fue
rza
de a
rras
tre
(N)
×10-4
-1
-0.75
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
Fue
rza
de s
uste
ntac
ión
(N)
×10-3
-5
-2.5
0
2.5
5
LiftDrag
Figura: Drag and Lift: ideal motion.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movimiento
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Movimiento
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Robot
Figura: Dispositivo experimental.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Modelado entorno
Figura: Esquema del modelo para simulación en fluidos.
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Modelado entorno – Detalle
Figura: Implementación de modelo para simulación de fuerzasviscosas.
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Resultados experimentales
Excitación onda cuadrada 3 Hz
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IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Resultados experimentales
Excitación onda senoidal 3 Hz
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Resultados experimentales
Excitación onda senoidal 10 Hz
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Actuación local I: 2 puntos de actuación
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Actuación local I: 2 puntos de actuación
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígidoActuación distribuida II: Deformación continuaActuación local I: 1 punto de actuaciónActuación local I: 2 puntos de actuación
Actuación local I: 2 puntos de actuación
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Algunas conclusiones
Experimentos y ajustes
Simulador sistema cardiovascular
Selección de tecnología
Estrategias de control y navegación
Miniaturización – MEMS (Delft University of Technology)
Diseño de microrrobot
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Agradecimientos
Proyecto: Control of Flexible Robots Under External Forces. Application toForce Sensors and Systems for Robot Positioning and Propulsion in Fluids.(DPI2016-80547-R, Ministerio de Economía, Industria y Competitividad)
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
IntroducciónFlagelo plano
Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer
Agradecimientos
Ayuda: GR15178 (Junta de Extremadura)
UNED – E.T.S. de Ingeniería InformáticaDepartamento de Informática y Automática
UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control
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