Если вы когда-нибудь смотрели «Планету Земля», то знаете, что океан - это дикое место для жизни. Вода изобилует различными экосистемами и организмами разной сложности, от осьминога-эрудита до морской звезды. Неожиданно оказалось, что именно морская звезда, простой организм с децентрализованной нервной системой, дает представление о продвинутой адаптации к гидродинамическим силам - силам, создаваемым давлением и потоком воды.
Исследователи из инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби обнаружили, что морские звезды эффективно удерживаются на поверхности при экстремальных гидродинамических нагрузках, изменяя свою форму. Исследователи, в том числе заведующий кафедрой аэрокосмической и механической инженерии Генри Сальватори Митул Лухар и докторант Марк Гермес, обнаружили, что морские звезды создают «прижимную силу» из-за своей формы. Это означает, что вместо того, чтобы подниматься силами потока, морские звезды толкаются вниз к поверхности скалы или дна, на которых они находятся.
«Морские звезды невероятно адаптивны», - сказал Лухар, доцент кафедры аэрокосмической и механической инженерии Университета Калифорнии в Витерби. «Когда наблюдается высокая волновая активность и сильные водные силы, морские звезды станут более тонкими и приобретут более низкий профиль. Когда морская звезда переносится в защищенную среду с более низкими гидродинамическими силами, они немного выскакивают, а их поперечные сечения становятся больше.
Понимание такого изменения формы может помочь в разработке подводных роботов, которые могут аналогичным образом адаптироваться к экстремальным гидродинамическим условиям, сказал Лухар.
Взаимодействие формы и силы
Исследователи проверили это понимание формы морских звезд и их влияния на силу в воде с помощью как вычислительных, так и трехмерных печатных моделей. «Сразу же мы заметили, - сказал Лухар, - что морские звезды не отрываются от поверхностей, на которых они находились, а их толкают вниз - просто из-за их формы».
Лухар сказал, что исследователи видели в этом эффекте прижимной силы ключ к тому, как морская звезда - а в будущем и подводный робот - могла оставаться прикрепленной к морскому дну или скале, а не подниматься от нее, даже в самых экстремальных условиях. условия.
Исследователи протестировали и другие формы. По словам Лухара, в конусе или куполе вода течет вверх, а затем вниз, достаточно хорошо следуя контурам формы (см. Рис ...). Когда поток, в конечном итоге, толкает вниз, создается равная и противоположная сила, в результате общий эффект лифтинга. В форме морской звезды, которая похожа на треугольный клин, вода течет вверх, а углы с каждой стороны действуют как пандус, отталкивающий воду от своей поверхности.
«Когда морская звезда отталкивает поток, поток создает равную и противоположную силу, которая давит на морскую звезду», - сказал Лухар. «Конус или сфера не создают такого же« эффекта наклона »и, следовательно, не создают аналогичной прижимной силы».
Чтобы получить полное трехмерное представление о том, как выглядят силовые поля, Лухар сказал, что они используют вычислительные модели для дальнейшего освещения увиденного с помощью трехмерных печатных форм. Из рассмотренных ими форм, по словам Лухара, сферический купол показал худшие результаты с точки зрения подъемной силы по сравнению с прижимной силой, а это означает, что он хуже всего оставался прикрепленным к нижней поверхности или земле.
Мягкая робототехника
По словам Лухара, следующим шагом будет изучение мягкой структуры, которая может трансформироваться в реальном времени. В настоящее время Гермес работает над созданием этой конструкции. По словам Лухара, ключом к его конструкции является способность реагировать в водном канале, что дает ему возможность адаптировать свою форму по мере необходимости, чтобы оставаться прилегающей к скале или морскому дну или, альтернативно, позволять ему подниматься вместе с водой. поток воды.
«Допустим, вода меняет скорость», - сказал Лухар. «Мы можем определить, какая форма будет лучше всего, и робот сможет соответствующим образом изменить ее форму».
В конечном итоге, сказал Лухар, идея состоит в том, чтобы понять, как разработать робота, который будет работать с потоком, а не бороться с ним.
«Если мы сможем использовать преимущества окружающей среды, а не бороться с ней, мы также сможем добиться большей эффективности и производительности», - сказал Лухар.