Algún día, los robots submarinos pueden imitar de manera tan cercana a las criaturas como los peces que engañarán no solo a los animales reales sino también a los humanos. Esa capacidad podría generar información que va desde la salud de las poblaciones de peces hasta la ubicación de embarcaciones extranjeras.
Tales robots tendrían que ser rápidos, eficientes, altamente maniobrables y acústicamente sigilosos. En otras palabras, tendrían que ser muy parecidos a los delfines nariz de botella o las orcas.
"Estamos interesados en desarrollar la próxima generación de vehículos submarinos, así que estamos tratando de entender cómo los delfines y las ballenas nadan tan eficientemente como lo hacen", dice Keith W. Moored, profesor asistente de ingeniería mecánica y mecánica en LehighPC Rossin College of Engineering and Applied Science de la Universidad "Estamos estudiando cómo están diseñados estos animales y qué beneficios tiene ese diseño en términos de su rendimiento de natación, o la mecánica de fluidos de cómo nadan".
Amarrado es el investigador principal en un artículo publicado recientemente en el Revista de la interfaz de la Royal Society que examinó la mecánica de fluidos de la propulsión de cetáceos simulando numéricamente sus aletas de cola oscilantes. Por primera vez, Moore y su equipo pudieron desarrollar un modelo que podía predecir cuantitativamente cómo los movimientos de la aleta deberían adaptarse a su forma paramaximizar su eficiencia. La investigación fue parte de un proyecto más grande apoyado por la Oficina de Investigación Naval bajo su programa de Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria. El proyecto, que recibió más de $ 7 millones en fondos con $ 1 millón destinado a Lehigh durante más de cincoaños, también incluyeron la Universidad de Virginia, la Universidad de West Chester, la Universidad de Princeton y la Universidad de Harvard.
Las aletas de la cola de los cetáceos ballenas y delfines vienen en una amplia variedad de formas. La forma en que estos animales mueven sus aletas, o su cinemática, también varía. Algunos cetáceos pueden agitar sus aletas en una mayor amplitud, o lanzarlas aun ángulo más pronunciado. Moored y su equipo querían comprender mejor esta interacción entre las dos variables para determinar si la forma de la aleta caudal se adaptaba a un conjunto específico de cinemáticas.
Utilizando la forma y los datos cinemáticos de cinco especies de cetáceos con nombres comunes de delfín nariz de botella, delfín moteado, orca, falsa orca y beluga, realizaron simulaciones en cada una de las especies para determinar su eficiencia propulsora. Luegointercambiaron los datos, por ejemplo, ejecutando una simulación en la forma de la aleta de una orca unida a la cinemática de un delfín.
"Ejecutamos 25 de estas simulaciones intercambiadas y nos sorprendió mucho", dice Moored. "La forma de la aleta de la pseudo orca siempre fue la mejor, lo que significa que fue la más eficiente. No importaba qué cinemática le diéramos.Y la cinemática de la ballena beluga siempre fue la mejor, independientemente de la forma a la que estuviera unida. No esperábamos eso, así que comenzamos a profundizar más y desarrollamos este modelo relativamente simplista de cómo la eficiencia se escala con diferentes variables cinemáticas y de forma."
El modelo funcionó bien para capturar los datos que Moored y su equipo ya habían generado, por lo que ampliaron su conjunto de datos para examinar cualquier tendencia resultante. Descubrieron que su modelo no solo predijo la eficiencia más allá de su conjunto de datos, sino que también reveló formas específicasfueron diseñados para cinemáticas específicas.
Una revelación interesante, dice Moored, fue la interacción fundamental entre las fuerzas circulatorias y las fuerzas de masa agregadas que contribuyen al movimiento de un animal. Las fuerzas circulatorias son aquellas que generan elevación, como con los aviones.
"Una cola que se mueve hacia arriba y hacia abajo genera fuerzas como un avión, pero también genera fuerzas de masa adicionales que tienen que ver con la rapidez con la que se acelera el fluido", dice Moored. "En el pasado, la gente nocreemos que esas fuerzas de masa adicionales fueron tan relevantes en la natación de cetáceos. No se reconoce en absoluto en la literatura anterior. Pero descubrimos que las aceleraciones de la aleta son esenciales para predecir las tendencias de eficiencia, y eso fue fascinante para nosotros.somos un modelo predictivo que es preciso. Sin él, básicamente estaríamos diciendo que la forma de la aleta no cambia la eficiencia, y eso no es cierto ".
Tener un modelo que pueda predecir el rendimiento basado en la forma y la cinemática proporciona una ecuación de diseño básica para construir un robot submarino que funcione como un cetáceo. Hasta la fecha, estas ecuaciones no han existido. Y el potencial para estas máquinas es enormeLos robots en forma de pez rápidos, eficientes y altamente maniobrables podrían ayudar a los investigadores a probar hipótesis sobre cómo nadan los animales y comprender mejor el comportamiento de los bancos de peces. Podrían usarse para detectar submarinos y otros sumergibles. También podrían usarse para monitorearEl impacto del cambio climático en las poblaciones de peces.
Moored y su equipo ya avanzaron y ampliaron su modelo de escala para tener en cuenta una gama más amplia de variables que luego validaron con datos experimentales. En última instancia, quieren construir un modelo mucho más predictivo. Uno que capture los efectos de estas variablesy luego puede predecir el rendimiento para una variedad de aplicaciones.
"Este problema de natación de peces es un problema realmente emocionante porque es muy complicado", dice. "Es fascinante tomar este caos de variables y ver el orden en él, ver la estructura en él y comprender lo que está sucediendo fundamentalmente."
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Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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