Purcell type swimming robotsdesign alternatives and locomotion strategies

Resumen

Los avances en micro y nanotecnología han facilitado la fabricación de nuevos dispositivos artificiales en miniatura para aplicaciones biomédicas, planteando una serie de retos entre los que se encuentra la comprensión de la hidrodinámica en la microescala. Esto implica navegar en régimen de bajo número de Reynolds (Re) en el que las fuerzas viscosas dominan sobre las inerciales, por lo que hay que considerar nuevos modos de movimiento. Edward M. Purcell introdujo tres tipos de animales capaces de nadar en la microescala, siendo el más simple el nadador de Purcell, formado por tres segmentos conectados por articulaciones de un grado de libertad. Dicho nadador es capaz de desplazarse mediante la rotación de los segmentos laterales según unas primitivas de movimiento. En este contexto, esta tesis se centra en el nadador mencionado. El movimiento del nadador ha sido modelado en entornos de bajo y medio Re, a partir del cual se ha realizado un estudio pormenorizado de las primitivas de movimiento en el entorno de la microescala. Además, se han desarrollado dos prototipos del nadador de Purcell, con diferentes tecnologías de actuación, para realizar simulaciones y experimentos en distintas condiciones del entorno. Por último, se propone una estrategia de control en lazo cerrado para el seguimiento de caminos, que ha sido implementada experimentalmente en uno de los prototipos fabricados. Esta tesis supone un paso adelante en el estudio de este nadador mediante el diseño y fabricación de prototipos en la macroescala, con la intención de reducir su escala en futuros trabajos. --------------------------------------------------- Advances in micro- and nanotechnology have facilitated the fabrication of new miniature artificial devices for biomedical applications, posing a number of challenges, one of which is the understanding of microscale hydrodynamics. This means moving in a low Reynolds number (Re) regime where viscous forces dominate over inertial ones, and thus new modes of motion must be considered. Edward M. Purcell introduced three types of `animals- capable of swimming at the microscale, the simplest of which is the Purcell-s swimmer, consisting of three segments connected by one-degree-of-freedom joints. This swimmer is able to move by rotating the lateral segments according to motion primitives. In this context, this thesis focuses on the above-mentioned swimmer. The swimmer motion has been modelled in low and medium Re environments, from which a detailed study of the motion primitives in the microscale environment has been carried out. In addition, two prototypes of the three-link Purcell-s swimmer, with different actuation technologies, have been developed to perform simulations and experiments in different environment conditions. Finally, a closed-loop control strategy for path following is proposed and experimentally implemented in one of the manufactured prototypes. This thesis is a step forward in the study of this swimmer by means of designing and fabricating prototypes on the macroscale, with the intention of downscaling in future works.