Diseño y desarrollo de aletas para nadadores, eficientes y económicas, inspiradas en la morfología de animales acuáticos

Abstract

El proyecto “Diseño y desarrollo de aletas para nadadores, eficientes y económicas inspiradas en la morfología de animales acuáticos” se centra en la creación de aletas de natación eficientes mediante la aplicación de conceptos de biomimetica con el fin de resolver el objetivo general de diseñar aletas para nadadores, que sean más eficientes y económicas usando la biomimetica y los aspectos morfológicos en animales acuáticos. A su vez con los objetivos específicos de realizar un estudio de aspectos biomecánicos del movimiento en animales acuáticos que puedan ser aplicados al diseño de aletas para nadadores. Investigar y seleccionar los materiales y procesos de fabricación más adecuados para producir las aletas de forma eficiente y económica. Diseñar y modelar las aletas utilizando herramientas de diseño asistido (CAD). Realizar pruebas y simulaciones para evaluar el desempeño y eficiencia de las aletas diseñadas y por último crear un modelo a escala que permita evaluar la apariencia y la viabilidad técnica. El estudio biomecánico del movimiento de las especies evaluadas se aprovecha de una investigación previa llamada Hydrodynamic Characteristics of the Shortfin Mako Shark. De acá se obtienen las imágenes del movimiento del pez y se comparan con los ángulos de movimiento plasmados en imágenes laterales tomadas de un nadador de mono aleta efectuando el movimiento. La selección de materiales y procesos de fabricación recomendados surge del estado de la técnica en donde nos encontramos con una variedad de proyectos e investigaciones entre los cuales ya se han desarrollado aletas de natación y se han hecho los estudios previos para sus requerimientos técnicos, propiedades mecánicas y químicas para un mejor producto tanto en lo económico como en lo técnico o funcional, algunas investigaciones fueron “IMPLEMENTACIÓN DE UNA ALETA PECTORAL BIOINSPIRADA CON TRES GRADOS DE LIBERTAD UTILIZANDO ACTUADORES NO CONVENCIONALES PARA EL CONTROL DE ORIENTACIÓN DE UN ROBOT PEZ Pseudorinelepis genibarbisbio”. Diseño de un complemento deportivo versátil destinado al entrenamiento de natación en piscinas y entre otros que durante todo el proceso sirvieron de base para continuar el proyecto. Durante el proceso de modelado 3D, se utilizó el programa de diseño y modelado 3D Autodesk Inventor, a su vez con la ayuda de programas gráficos 2D como Photoshop. En este proceso se opta por comparar los puntos coincidentes en el plano (x, y) de las aletas de estudio de las especies tiburón mako, pez espada y pez vela con el fin de sacar una hibridación morfológica de estas tres aletas o dos de estas que nos permita resolver los objetivos ya mencionados. La inspiración del producto en estas especies no es simple coincidencia, debido a que leyendo estudios morfológicos hechos en investigaciones de estas especies, nos topamos con la coincidencia de que las 3 especies tienen una misma forma de aleta caudal, de un tipo semilunar y al igual las 3 especies son de las más rápidas del planeta si hablamos de animales acuáticos. Ahora bien, las pruebas y simulaciones a realizar se desarrollaron también por medio del programa inventor profesional con la ayuda de uno de sus módulos donde se hace un estudio de desplazamiento o resistencia entre dos tipos de aletas. La aleta A que es la aleta diseñada en este proyecto y la aleta B que es una aleta inspirada en las medidas técnicas de la CMAS, de acuerdo con la cantidad de desplazamiento dada en milímetros en las 2 aletas. Nos podemos dar a una idea de cuál de las dos tiene mayor resistencia al agua y por ende puede generar una mejor propulsión, cabe aclarar que dicha evaluación no se hace al material de la aleta debido a que ese no es el enfoque de este proyecto, el enfoque va directamente ligado a la forma que es generada por la comparativa morfológica entre las 3 especies antes mencionadas. Ahora bien, como proceso final se optó por crear un modelo a escala con la ayuda de una impresora 3D para así poder evaluar más fácilmente la apariencia física del producto inspirada en formas de la anatomía animal de dichas especies.

The project, "Design and Development of Efficient and Economical Swim Fins Inspired by Aquatic Animal Morphology," focuses on creating efficient swim fins through the application of biomimetic concepts. The overall objective is to design swim fins that are both more efficient and economical by leveraging biomimicry and morphological aspects observed in aquatic animals. Specific objectives include conducting a biomechanical study of movement in aquatic animals applicable to swim fin design, researching and selecting the most suitable materials and manufacturing processes for efficient and cost-effective production, designing and modeling the fins using Computer-Aided Design (CAD) tools, performing tests and simulations to assess the performance and efficiency of the designed fins, and creating a scale model for evaluating appearance and technical feasibility. The biomechanical study utilizes findings from a previous investigation titled "Hydrodynamic Characteristics of the Shortfin Mako Shark." Movement images of the shark are compared with motion angles depicted in side-view images of a monofin swimmer executing the same motion. The selection of materials and manufacturing processes is informed by state-of-the-art research, incorporating insights from various projects and studies on swim fin development, considering technical requirements, mechanical properties, and chemical characteristics for an optimized product. Noteworthy references include the implementation of a bioinspired pectoral fin with three degrees of freedom using unconventional actuators for orientation control in a fish-like robot. The 3D modeling process employs Autodesk Inventor for design and modeling, supplemented by 2D graphics programs such as Photoshop. Comparison of matching points on the (x, y) plane of the fins from the shortfin mako shark, swordfish, and sailfish species aims to achieve a morphological hybridization that addresses the project's objectives. The choice of these species for inspiration is not arbitrary; their common semilunar caudal fin shape and status as some of the fastest aquatic species globally make them fitting models. Testing and simulations are conducted using Autodesk Inventor Professional, with a module dedicated to studying displacement or resistance between two types of fins. A comparative analysis is made between the designed fin (A) and a fin (B) inspired by the technical measurements of the CMAS. This evaluation focuses on water resistance and propulsion, with the study excluding material assessment. The final step involves creating a scale model using a 3D printer to facilitate a more straightforward assessment of the product's physical appearance inspired by the anatomical forms of the aforementioned animal species.