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
- Tez No: 348727
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- 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
- Computational and experimental investigations into the mechanism of functional motion in biomolecular systems
Biyomoleküler sistemlerde fonksiyonel hareket mekanizmasi üzerine hesaplamalı ve deneysel araştırmalar
AYŞE BURCU FAS
Doktora
İngilizce
2016
BiyofizikBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TÜRKAN HALİLOĞLU
- Computational and experimental investigation of catalytic hydrogen production from ethanol
Etanolden katalitik hidrojen üretiminin hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
ENİS ÖRÜCÜ
- 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
2013
EnerjiEge ÜniversitesiGüneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANAN VARLIKLI
DOÇ. DR. ARMAĞAN KINAL
- Mefenamik asidin fenotiazin ve promazin ile etkileşimininhesapsal ve spektroskopik olarak incelenmesi
Computational and spectroscopic investigation of theinteraction of mefenamic acid with phenothiazine and promazine
HALİL KARAYİĞEN
- 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
2016
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNAY ANLAŞ
DOÇ. DR. ÇETİN YILMAZ