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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

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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

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Robots pequeños

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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer

Robots pequeños nadadores

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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Su mundo

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El sistema circulatorio llega a cualquier sitio ...

Figura: Sistema circulatorio y Re.

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Retos

Entendimiento del entorno.Cambio de paradigma.Fabricación.Propulsión.Guiado.

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Ecuación de Langevin

md2xdt2 = −ζ dx

dt+

dB(t)dt

, (1)

mx = −V ′(x)− ζx + B, (2)

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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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Ecuación de Langevin

Inercia negligible

ζx = −V ′(x) + B, (3)

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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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Motor molecular– Motor browniano

Figura: Trinquete de Feynman.

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Navier–Stokes

Red−→V

dt= −∇p +∇2−→V , Re =

ρvsDµ

(4)

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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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Alternativas bajo estudioLo que queda por hacer

(a) Remo rígido (b) Remo flexible.

Figura: Movimiento recíproco – no recíproco.

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Locomoción en altos Re

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Locomoción en bajos Re

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Biomimesis

Figura: Flagelos y cilios.UNED – C. Conferencias Ingeniería de Sistemas y de Control

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Helicoidal autopropulsado

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Helicoidal autopropulsado

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Helicoidal propulsión externa

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Helicoidal propulsión externa

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Formas de ondaPropulsión

Formas de onda

Onda progresiva armónica

y(x , t) = c0 sin

(2πλ(x − Vpt)

)(6)

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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)

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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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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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Formas de ondaPropulsión

Mecanismo de propulsión

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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

Actuación distribuida I: Segmentos sólido rígido

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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

Elemento básico

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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

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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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.

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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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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

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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

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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

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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

Actuación local I: 2 puntos de actuación

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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

Actuación local I: 2 puntos de actuación

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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

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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)

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Agradecimientos

Ayuda: GR15178 (Junta de Extremadura)

UNED – E.T.S. de Ingeniería InformáticaDepartamento de Informática y Automática

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