Geri Dön

Computational and microhydrodynamic modeling and experiments with bio-inspired swimming robots in cylindrical channels

Silindirik kanallar içerisinde yüzen biyolojiden-esinlenmiş robotların hesaplamalı ve mikrohidrodinamik modellemesi ve deneyleri

PDF İndir

  1. Tez No: 348727
  2. Yazar: AHMET FATİH TABAK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERHAT YEŞİLYURT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 344

Özet

Yüzebilen mikro robotik sistemler, gelecekteki minimal invaziv cerrahi uygulamalar için alternatif oluşturmaktadır. Mikro boyutlardaki robotların canlı dokular içerisindeki sıvı dolu boşluk ve kanallarda verimli bir şekilde hareket edebilmesi için bakteri hücreleri gibi doğal mikro yüzücüleri taklit etmeleri gerekmektedir. Buna bağlı olarak, bakteri hücrelerinin mikro boyutlarda hidrodinamik modellemelerinin yapılması kontrol ve optimizasyon çalışmaları açısından önem taşımaktadır. Bu çalışmada, bakterileri taklit eden santimetre boyutundaki robotik prototiplerin düzgün silindirik kanallar içerisindeki yüzme hareketleri incelenmiştir. Söz konusu prototipler taşıdıkları batarya ve kontrol devreleri ile döner sarmal kuyruklarını tahrik ederek kendilerini yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde sevk etmektedirler. Deneylerde, yüzme hızı ile değişken kuyruk geometrisi, değişken kanal çapı ve dikey/yatay konumlarda kanal duvarlarına yakınlık ilişkileri incelenmiştir. Daha sonra, hesaplamalı akışkanlar mekaniği metoduna dayanan benzeşim çalışmaları yapılmıştır. Benzeşim çalışmalarında, dar ve geniş kanallar içerisinde hareket eden bu yüzücü robotlar modellenmiş, ve deney sonuçları ile model doğrulamaları yapılmıştır. Doğrulanmış modeller ile sınırlandırılmamış yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde duvar etkilerinden bağımsız olarak yüzen bakteri tipi robotların gövde ve kuyrukları arasındaki hidrodinamik etkileşim incelenmiştir. Ayrıca, değişken kanal çapının ve de kuyruk geometrisinin yüzme hızı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Son olarak, direnç-kuvveti-teorisi tabanlı, zamana-bağlı altı-serbestlik-dereceli bir mikrohidrodinamik model geliştirilmiştir. Bu modelde, viskoz kuvvetler göz önüne alınarak tüm katı-cisim ve akışkan ivmeleri sıfır kabul edilmiştir. Robotun yüzme hızları sıfır-kuvvetle-yüzme kısıtlaması kullanılarak birinci dereceden bir denklemler sistemi ile hesaplanmaktadır. Mikrohidrodinamik model, dikey/yatay kanal deneyleri ve hesaplamalı akışkanlar mekaniği benzeşim sonuçları ile ayrı ayrı doğrulanmıştır. Doğrulanan mikrohidrodinamik model, örnek model-tabanlı kontrol çalışmalarında ve enerji verimliliği ile yüksek hız için gerekli sarmal kuyruk taslaklarının bulunmasında kullanılmıştır.

Özet (Çeviri)

Modeling and control of swimming untethered micro robots are important for future therapeutic medical applications. Bio-inspired propulsion methods emerge as realistic substitutes for hydrodynamic thrust generation in micro realm. Accurate modeling, power supply, and propulsion-means directly affect the mobility and maneuverability of swimming micro robots with helical or planar wave propagation.Flow field around a bio-inspired micro swimmer comprised of a spherical body and a rotating helical tail is studied with time-dependent three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. Analytical hydrodynamic studies on the bodies of well known geometries submerged in viscous flows reported in literature do not address the effect of hydrodynamic interactions between the body and the tail of the robot in unbounded viscous fluids. Hydrodynamic interactions are explained qualitatively and quantitatively with the help of CFD-model.A cm-scale powered bio-inspired swimmer robot with helical tails is manufactured including a payload and a replaceable rigid helical tail. The payload includes on-board power supply and remote-control circuitry. A number of helical tails with parameterized wave geometry are used. Swimmer performed in cylindrical channels of different diameters while fully submerged in an oil-bath of high viscosity.A real-time six degrees-of-freedom microhydrodynamic model is developed and implemented to predict the rigid-body motion of the swimming robots with helical and traveling-plane-wave tails. Results of microhydrodynamic models with alternative resistance coefficients are compared against CFD simulations and in-channel swimming experiments with different tails. Validated microhydrodynamic model is further employed to study efficient geometric designs with different wave propagation methods within a predefined design space.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    465413

    Computational and experimental approaches to develop minocycline imprinted hydrogels and determination of their drug release performance

    Hesaplamalı ve deneysel yaklaşımlarla minosiklin baskılı hidrojellerin geliştirilmesi ve ilaç salım performanslarının değerlendirilmesi

    BÜŞRA EROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER

  2. Tez No

    342670

    Naftilimid imidazolyumların oled uygulamaları için temel ve uyarılmış hallerinin hesapsal ve deneysel yöntemlerle incelenmesi

    Computational and experimental investigations on ground and excited states of naphthalimide imidazolium salts for oled applications

    HAYDAR AKDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    EnerjiEge Üniversitesi

    Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CANAN VARLIKLI

    DOÇ. DR. ARMAĞAN KINAL

  3. Tez No

    492510

    Computational and experimental investigation of Ras homodimer formation, Ras-effector interactions and ras shuttling

    Deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle Ras dimerizasyonunun, Ras efektör etkileşiminin ve Ras'ın taşınmasının incelenmesi

    SERENA MURATCIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyofizikKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA ÖZLEM KESKİN ÖZKAYA

    PROF. DR. ATTİLA GÜRSOY

  4. Tez No

    387527

    Computational and experimental investigation of the critical role of twinning on the plastic deformation of highmanganese austenitic steels and pseudoelasticity of niti shape memory alloys

    İkizlemenin yüksek manganlı östenitik çeliklerin plastik deformasyonu ve niti şekil hafıza alaşımlarının süperelastisitesi üzerindeki krıtik rolünün sayısal ve deneysel incelemesi

    BERKAY GÜMÜŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ

  5. Tez No

    434004

    Computational and experimental investigation of low frequency noise in passenger vehicles

    Binek araçlardaki düşük frekanslı gürültünün hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle araştırılması

    AKIN OKTAV

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNAY ANLAŞ

    DOÇ. DR. ÇETİN YILMAZ

Geri Dön