Такие роботы должны быть быстрыми, эффективными, высокоманевренными и акустически незаметными. Другими словами, они должны быть очень похожи на афалин или косаток.
«Мы заинтересованы в разработке подводных аппаратов следующего поколения, поэтому мы пытаемся понять, как дельфины и киты плавают так же эффективно, как и они», – говорит Кейт В. Моред, доцент кафедры машиностроения и механики Университета Лихай.C. Россин колледж инженерии и прикладных наук. «Мы изучаем, как устроены эти животные, и что в этом дизайне выгодно с точки зрения их плавательных способностей или плавной механики их плавания."
Моред – главный исследователь в статье, недавно опубликованной в журнале интерфейса Королевского общества, в которой изучена механика жидкости движения китообразных путем численного моделирования их колеблющихся хвостовых плавников.
Впервые Мур и его команда смогли разработать модель, которая могла количественно предсказать, как движения плавника должны быть адаптированы к его форме, чтобы максимизировать его эффективность. Исследование было частью более крупного проекта, поддерживаемого Управлением военно-морских исследований в рамках программы Междисциплинарной исследовательской инициативы университета. Проект, на который было выделено более 7 миллионов долларов финансирования (из которых 1 миллион долларов был направлен в Лихай) за более чем пять лет, также включал Университет Вирджинии, Университет Вест-Честера, Принстонский университет и Гарвардский университет.
Хвостовые плавники китообразных (китов и дельфинов) бывают самых разнообразных форм.
То, как эти животные двигают плавниками, или их кинематика также различаются. Некоторые китообразные могут махать плавниками с большей амплитудой или наклонять их под большим углом. Моред и его команда хотели лучше понять это взаимодействие между двумя переменными, чтобы определить, была ли форма хвостового плавника адаптирована к определенному набору кинематики.
Используя форму и кинематические данные для пяти видов китообразных (с общими названиями афалин, пятнистый дельфин, косатка, ложный косатка и белуха), они провели моделирование каждого из видов, чтобы определить его двигательную эффективность.
Затем они поменяли местами данные, например, запустив моделирование формы плавника косатки, привязанной к кинематике дельфина.
«Мы провели 25 таких симуляций с обменом местами и были очень удивлены», – говорит Мур. "Форма плавника псевдо косатки всегда была лучшей, а это значит, что она была наиболее эффективной.
Неважно, какую кинематику мы ему дали. И кинематика белухи всегда была лучшей, независимо от того, к какой форме он был придан. Мы этого не ожидали, поэтому мы начали углубляться в нее и разработали эту относительно упрощенную модель того, как эффективность масштабируется с различными кинематическими переменными и переменными формы."
Модель хорошо зарекомендовала себя для сбора данных, которые Мур и его команда уже создали, поэтому они расширили свой набор данных, чтобы изучить любые возникающие тенденции.
Они обнаружили, что их модель не только предсказывала эффективность за пределами их набора данных, но также показывала, что определенные формы были адаптированы к определенной кинематике.
Одним интересным открытием, по словам Мурда, было фундаментальное взаимодействие между силами кровообращения и дополнительными массовыми силами, которые способствуют движению животного.
Циркуляционные силы – это те, которые создают подъемную силу, как в самолетах.
«Хвост, который машет вверх и вниз, генерирует силы, аналогичные самолету, но он также создает дополнительные массовые силы, которые связаны с тем, насколько быстро жидкость ускоряется», – говорит Мур. "Раньше люди не думали, что эти дополнительные массовые силы так важны для плавания китообразных.
Это вообще не признается в предыдущей литературе. Но мы обнаружили, что ускорение плавника является неотъемлемой частью прогнозирования тенденций эффективности, и это нас увлекло.
В конечном итоге это дает нам точную прогнозную модель. Без него мы бы сказали, что форма плавников не влияет на эффективность, и это неправда."
Наличие модели, которая может прогнозировать производительность на основе формы и кинематики, обеспечивает своего рода базовое расчетное уравнение для создания подводного робота, который ведет себя как китообразное.
На сегодняшний день этих уравнений не существует. И потенциал у этих машин огромен.
Быстрые, эффективные и высокоманевренные роботы в форме рыб могут помочь исследователям проверить гипотезы о том, как животные плавают, и лучше понять поведение косяков рыб. Их можно было использовать для обнаружения подводных лодок и других подводных аппаратов. Их также можно использовать для мониторинга воздействия изменения климата на популяции рыб.
Моред и его команда уже пошли дальше и расширили свою модель масштабирования, чтобы учесть более широкий диапазон переменных, которые они затем подтвердили с помощью экспериментальных данных.
В конечном итоге они хотят построить гораздо более предсказуемую модель. Тот, который фиксирует влияние этих переменных, а затем может прогнозировать производительность для ряда приложений.
«Проблема плавания рыб – действительно захватывающая проблема, потому что она настолько сложна», – говорит он. "Это увлекательно – взять этот хаос переменных и увидеть в нем порядок, увидеть в нем структуру и понять, что на самом деле происходит."