BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Análisis de la incidencia lesional en el fútbol profesional español en la temporada 2008-2009

Se ha descrito en la literatura como el fútbol es un deporte en cuya práctica existe una alta incidencia de lesión. Sin embargo, en España, hasta el momento no se había llevado a cabo ningún estudio que analizara la incidencia de lesión de los jugadores de fútbol profesional. Para poder prevenir lesiones, en primer lugar debemos de identificar la magnitud del problema, así como conocer aquellos factores que pueden influir sobre la producción de lesiones, Éste es principal objetivo de nuestro estudio para, a partir de él, poder diseñar e introducir en la práctica deportiva medidas preventivas con el objetivo de disminuir la incidencia de lesión en el fútbol. Hay que considerar que nos encontramos ante un estudio descriptivo, el cual se caracteriza, por no tener una hipótesis previa. En él nos planteamos como principal objetivo el conocer la influencia de los diferentes factores que influyen en la posibilidad de sufrir una lesión en el fútbol, además de realizar un análisis que describiera las lesiones sufridas, así como sus periodos de recuperación, en el fútbol profesional español, En esta investigación, participaron 27 equipos pertenecientes a la primera y segunda división española (728 jugadores), registrándose durante la temporada 2008- 2009 un total de 2184 lesiones. Para el registro de las lesiones, se utilizó el cuestionario REINLE cumplimentado de forma confidencial por miembros del equipo técnico de los clubes colaboradores, a través de la base de datos LEFUTPRO con acceso vía internet. Como dato general, encontramos que en la práctica del fútbol profesional existe una elevada incidencia de lesión con 8,92 les.*1000h. de exposición, siendo ésta mayor en competición (41,33 les.*1000h.) que en entrenamiento (6,02 les.*1000h.), valores muy acordes a los encontrados en la literatura científica especifica. Se registraron un promedio de 81 lesiones que causaron baja por equipo y temporada, provocando una ausencia media por lesión de 11,3 días. De estas lesiones, el 11,9% de ellas fueron de carácter recidivante, las cuales causaron periodos de baja superiores a las lesiones iníciales, alcanzando un valor promedio de 17,9 días de baja por lesión. El 84,4% las lesiones que se registraron, se localizaron en la extremidad inferior, siendo el muslo, con un 30,5% de todas las lesiones, la región corporal más afectada. A su vez, dentro del muslo, el 53% de las lesiones se localizaron en la región posterior, dentro de la cual, en el 73% de los casos la lesión afectó al bíceps femoral. Además, se encontró una mayor frecuencia de lesión en la pierna dominante (54,4% de las todas las lesiones) frente a la no dominante (36,5% de las todas las lesiones). Desde el punto de vista de la tipología de la lesión, las lesiones de carácter muscular con un 49,1% de los casos, fueron las más frecuentes, seguidas de las lesiones ligamentosas con un 15,1% de los casos. Los mecanismos de producción de lesiones en el jugador sin contacto, fueron más frecuentes (69,1% de todos los casos), que aquellos mecanismos de lesión en los que si hubo contacto (30,9%). En relación al momento de producción de lesión a lo largo de la temporada, se encontró que las lesiones sufridas en entrenamiento fueron progresivamente menos frecuentes con el transcurso de la temporada, mientras que en la competición se fueron incrementando, siendo los últimos meses de la temporada cuando se registraron la mayor parte de las lesiones. A partir de este estudio, proponemos ampliar la investigación en esta línea, concretando algunos de los aspectos que hemos podido identificar a través de nuestros resultados, y que en un futuro puedan tener alguna aplicación práctica en el objetivo común de reducir la incidencia de lesión existente en la práctica deportiva del fútbol. ABSTRACT Football has been described in literature as a sport in which there is a high incidence of injuries. Nevertheless, in Spain, to date, not a single study analyzing the incidence of lesions in professional football players has been carried out. In order to prevent lesions, in the first place we must identify the magnitude of the problem, as well as discover those factors that may influence on the production of lesions, being the latter the main objective of our study, and hence, starting from this point, be able to design and introduce in sports practice preventive measures with the aim of decreasing the incidence of lesions. We must take into consideration that we are before a study characterized by the fact of not having a previous hypothesis. In the present study, our main areas of focus is finding out the different factors that have influence on the possibility of suffering a lesion in this sports practice, as well as carrying out an analysis that describes the lesions suffered in professional football, as well as the necessary recovery periods. 27 teams (728 players), belonging to Spain’s First and Second Football (soccer) Divisions took part in this research. During the 2008-2009 season, a total of 2,184 lesions were registered. To register the lesions, a REINLE questionnaire, of the LEFUTPRO database was used, with access via internet. Each of the participating teams was given a password in a totally confidential manner. In the first place, we found that in the practice of professional football there exists a high incidence of lesions, with 8.92 lesions per 1000 h. of exposure. We found an increase in lesions during competitions (41.33 lesions per 1000 h.) with respect to those occurring during training (6.02 lesions per 1000 h.); these values being in accordance with those found in specific scientific literature. An average of 81 lesions that implied sick leaves were registered per team and season, causing an average of 11.3 days of absence per lesion. Of these, 11.9% of all the lesions studied were recurrent, causing longer sick leave periods than the ones due to the initial lesions and reaching an average of 17.9 days of sick leave per lesion. 84.4% of the lesions registered were located in the inferior extremities, the thigh being the anatomical region, with 30.5% of all the lesions, the most affected body region. In turn, 53% of the lesions to the thigh occurred in the posterior area, and within the latter, in 73% of the cases, the lesion affected the femoral biceps. In addition, we found a greater frequency of lesions in the dominant leg (54.4% of all the lesions), in contrast with the non dominant leg (36.5% of all the lesions). From the point of view of lesion type the most frequent lesions were muscular (49.1% of all cases), followed by ligament lesions (15.1%). Most of the lesions were produced during moments in which the players were not in physical contact at the moment of suffering the injury (69.1%), in comparison with those produced when there was physical contact (30.9%). With relation to the instance in which the injuries were produced along the season, we found that those lesions suffered during training were progressively less frequent as the season wore on, whilst those suffered during competitions gradually incremented, being the last months of the season when most of the injuries were registered. From the research of this study, we propose the need to carry out more research in this same line, focalizing on some more concrete aspects, which, through our results, we have been able to realize that would be interesting to study in greater depth, and that in the future, our results may have a practical application, helping reduce the incidence of injuries that exist in this sport practice.

Temperamento divergente em bovinos está associado à alteração no amaciamento de carne e atividade inibitória de calpastatina

Embora muitos avanços tenham ocorrido no entendimento dos fatores que afetam a maciez, a incidência de carne dura ainda é significativa. Animais mais reativos apresentam carnes mais duras, porém o mecanismo que determina este efeito ainda não foi estabelecido. Presume-se que o maior estresse nos animais reativos aumente a atividade de calpastatina afetando o amaciamento post mortem. Com objetivo de testar esta hipótese, foram avaliadas correlações da força de cisalhamento (FC), temperamento e temperatura corporal obtida de noventa e seis novilhos Nelore castrados, com cerca de 20 meses de idade. O temperamento foi baseado nas variáveis velocidade de fuga (VF) e escore de tronco (ET) avaliadas 3 - 4 semanas antes do abate (Manejo 1) e 2 dias pré-abate (Manejo 2). A análise de componentes principais com as variáveis de temperamento obtidas em ambos os manejos resultou em dois índices: índice de temperamento (IT) e índice de habituação (IH). Estes índices apresentaram maior correlação com a FC do que a VF. O IH apresentou correlação negativa e positiva com FC e pH (P < 0,05), respectivamente. A temperatura retal foi positivamente correlacionada com IT e negativamente com FC. A termografia infravermelho de várias regiões corporais apresentou correlações baixas com IT ou FC. Dois grupos divergentes quanto à FC (extremos da população para FC), cada qual com 6 novilhos, foram comparados para variáveis de temperamento, expressão dos genes CAPN1, CAST, CAST1 e CAST2, e características de carne. O grupo de alta FC (AFC) apresentou maior (P< 0,05) VF, ET, IT e índice de temperamento com base na média da VF e ET (ITM). Os grupos de AFC e baixa FC (BFC) não diferiram (P > 0,05) para comprimento de sarcômero e pH final, mas tiveram diferenças no amaciamento post mortem, com diferenças em maciez que persistiram em todos os tempos de maturação (2, 16 e 30 dias post mortem; P < 0,05). O grupo AFC apresentou maior atividade inibitória de calpastatina total 48 h post mortem medida no M. triceps brachii (P < 0,05), embora diferenças não tenham sido observadas no M. longissimus lumborum (P > 0,05). No entanto, o grupo AFC teve no M. longissimus maior expressão de CAST do que o grupo de BFC (P < 0,05). Em conclusão, temperamentos divergentes têm impacto na atividade de calpastatina que influência o amaciamento post mortem.

Efecto de la introducción de genética Duroc y de la restricción de vitamina A en la dieta sobre parámetros productivos, expresión génica y calidad de la carne en el cerdo ibérico

El cerdo ibérico es una raza porcina que se caracteriza por una alta tasa de acumulación de grasa y por una capacidad de crecimiento magro limitada. Su carne tiene un alto contenido en grasa y un perfil de ácidos grasos característico que determina la alta calidad de sus productos. Esta raza ha sido cruzada con machos Duroc de forma habitual para mejorar el rendimiento productivo y el desarrollo muscular. Esta práctica disminuye la grasa intramuscular (GIM) y el contenido en ácidos grasos monoinsaturados (AGMI), parámetros asociados con la calidad de la carne. Estudios previos han demostrado que la genética y la nutrición entre otros, son factores clave que determinan la cantidad y composición de la GIM. El objetivo general de la presente Tesis Doctoral ha sido profundizar en el conocimiento de los mecanismos genéticos y moleculares asociados a caracteres fenotípicos de interés en el cerdo ibérico, especialmente el contenido y composición de la GIM, así como conocer la respuesta de estos mecanismos ante estrategias nutricionales, concretamente la restricción de vitamina A. Para la consecución de estos objetivos, se diseñaron dos ensayos experimentales. En el primero, se estudió el efecto del tipo genético y de la edad sobre el fenotipo y el transcriptoma muscular de cerdos ibéricos puros y cruzados con Duroc. Las etapas de desarrollo empleadas fueron el nacimiento y los cuatro meses de edad. Se analizaron diversos caracteres fenotípicos de interés y el transcriptoma de los músculos Longissimus dorsi (LD, en ambas edades) y Biceps femoris (BF, al nacimiento)...

Composición corporal y somatotipo en triatletas universitarios

Introducción: el triatlón es un deporte de resistencia e individual que está formado por tres disciplinas diferentes: natación, ciclismo y carrera a pie. El objetivo del estudio es describir las características antropométricas en triatletas varones universitarios, además de analizar y describir la composición corporal y el somatotipo de dichos triatletas. Metodología: estudio observacional y descriptivo de las características antropométricas, la composición corporal y el somatotipo de 39 triatletas varones universitarios entre 24 ± 4,5 años, participantes en el campeonato de España universitario de triatlón, modalidad sprint (Alicante 2010), procedentes de diferentes universidades españolas. Según la técnicas de medición antropométrica adoptadas por la International Society for the Advancement of Kinanthropometry (ISAK) y el Grupo Español de Cineantropometría (GREC) por un evaluador acreditado ISAK de nivel II. Resultados: nos encontramos con deportistas de talla baja, en los que destacan valores inferiores a lo normal en los pliegues cutáneos subescapular, supraespinal, tricipital y bicipital, un porcentaje de masa muscular (45,27 ± 3,29%), de masa grasa (10,22 ± 2,92%) y de masa ósea (16,65 ± 1,34%) y un somatotipo en el que predomina la mesomorfia. Discusión: los triatletas y corredores presentan más baja talla que los ciclistas y nadadores. Los triatletas y ciclistas muestran un peso similar, siendo menor que el de los nadadores de fondo y mayor que el de los corredores de 10 km. Los pliegues cutáneos cresta ilíaca, abdominal y muslo frontal de los ciclistas son inferiores al de los triatletas. El porcentaje de masa grasa de triatletas corredores y nadadores son similares; sin embargo, el de la masa muscular de los triatletas suele ser inferior al de los ciclistas pero similar a las demás modalidades. El somatotipo del triatleta se asemeja al del ciclista (mesomorfo). El del corredor es mesomorfo-ectomorfo y el del nadador puede oscilar de mesomorfo a ectomorfo.

Evidence of altered lumbopelvic muscle recruitment in the presence of sacroiliac joint pain

Study Design. Cross-sectional study of electromyographic onsets of trunk and hip muscles in subjects with a clinical diagnosis of sacroiliac joint pain and matched control subjects. Objectives. To determine whether muscle activation of the supporting leg was different between control subjects and subjects with sacroiliac joint pain during hip flexion in standing. Background. Activation of the trunk and gluteal muscles stabilize the pelvis for load transference; however, the temporal pattern of muscle activation and the effect of pelvic pain on temporal parameters has not been investigated. Methods. Fourteen men with a clinical diagnosis of sacroiliac joint pain and healthy age-matched control subjects were studied. Surface electromyographic activity was recorded from seven trunk and hip muscles of the supporting leg during hip flexion in standing. Onset of muscle activity relative to initiation of the task was compared between groups and between limbs. Results. The onset of obliquus internus abdominis (OI) and multifidus occurred before initiation of weight transfer in the control subjects. the onset of obliquus internus abdominis, multifidus, and gluteus maximus was delayed on the symptomatic side in subjects with sacroiliac joint pain compared with control subjects, and the onset of biceps femoris electromyographic activity was earlier. IN addition, electromyographic onsets were different between the symptomatic and asymptomatic sides in subjects with sacroiliac joint pain. Conclusions. The delayed onset of obliquus internus abdominis, multifidus, and gluteus maximus electromyographic activity of the supporting leg during hip flexion, in subjects with sacroiliac joint pain. suggests an alteration in the strategy for lumbopelvic stabilization that may disrupt load transference through the pelvis.

Early alterations in serum creatine kinase and total cholesterol following high intensity eccentric muscle actions

Aim. The purpose of this experiment was to assess the levels of muscle soreness, serum total cholesterol (TC) and creatine kinase (CK) in the first 48 hours following fatiguing eccentric exercise performed with the triceps brachii. Methods. Eleven untrained male college students performed a total of 50 eccentric elbow extensions in 8 sets (6x7 and 2x4) with a load equal to 85% of their maximal concentric elbow extension strength. Isometric elbow extension strength, muscle soreness and circumference, and serum CK and TC concentrations were measured before, immediately after, and 2, 24 and 48 hours after the exercise. Results. Statistically reliable changes in isometric strength, serum CK and TC, muscle soreness and upper arm circumference occurred within the first 48 hours following eccentric exercise. Serum TC concentrations exhibited a very rapid (within 2 hours) reduction from pre-exercise values after eccentric exercise to a relatively stable concentration of approximately 85% of baseline. Conclusion. These results suggest that serum TC concentration may follow the time-course of reductions in force generating capacity more closely than other biochemical markers of muscle damage.