Design af undervandskøretøjer inspireret af fiskeskoler

Det er let at spekulere i, hvorfor fisk kan svømme i skolerne - bedre beskyttelse mod rovdyr, forbedret foderfunktion, lettere fisk-til-fisk kommunikation. Endnu, ingen af ​​disse afslører, hvorfor fisk kan bevæge sig sammen i et bestemt mønster.

Forskning om fiskeskolers energikunst tilbyder kontra-intuitive data-gruppemønstrene maksimerer ikke nødvendigvis energiforbruget.

Så hvorfor gør de det? Adjunkt i maskinteknik og mekanik, Keith Moored, mener, at væskemedierede kræfter er i gang. Faktisk, hans tidligere forskning har peget på sandsynligheden.

"3D-dannelsen skabt af en gruppe fisk ligner atomer, der trækkes af kræfter ind i en gitterstruktur, "siger Moored.

At få en omfattende forståelse af disse kollektive interaktioner kan hjælpe forskere med at bestemme, hvor skrøbelige biologiske netværk er til overfiskeri, tab af levesteder og et ændret klima. Det kunne også åbne døren til udviklingen af ​​skoler inden for bioinspirerede teknologier.

I øjeblikket, ubemandede undervandsbiler bruges til at hjælpe med kommercielt fiskeri, til opsamling af vandprøver, i eftersøgnings- og redningsaktioner og til militære formål.

I fremtiden, siger fortøjet, i stedet for kun en, det er sandsynligt, at en gruppe enheder vil blive sendt under vandet for at udføre et sæt opgaver, da denne kollektive tilgang er meget mere effektiv. Men der er forhindringer.

"Nøglen til at få et gennembrud i designet af højtydende kollektiver af bioinspirerede enheder er at forstå den grundlæggende væskemekanik i kollektive interaktioner, "siger Moored." Men lige nu har vi ikke en grundig forståelse af væskedynamikken mellem fisk i skolerne. "

Moored har modtaget en National Science Foundation (NSF) Career Award for at udforske dette lovende undersøgelsesområde. Han vil bruge midlerne til at få en bedre forståelse af strømningsmekanismer, der opstår blandt ustabile (på grund af oscillerende finner), tredimensionelle interagerende organer i komplekse arrangementer.

I sidste ende kunne hans arbejde besvare spørgsmålet:hvad kan forskere låne af naturen for at opnå teams af vandkøretøjer, der er så optimerede til undervandsbevægelse som fisk, der svømmer i en skole?

Transformere vores forståelse af skolegang

Et af Mooreds første mål er at karakterisere kræfterne, Energi og flowfysik ved kollektiv bevægelse til forskellige arrangementer, der er typiske for dyrs bevægelse.

Med stor erfaring med at udvikle fluid dynamiske testfaciliteter, han vil bruge en lavhastigheds vindtunnelanlæg og to slagvinger-vingemodeller, der kan efterligne en fiskes halesvingninger. Vingerne vil blive arrangeret i forskellige konfigurationer og udsat for en række strømningsbetingelser.

Fortøjet vil karakterisere strømningsfelterne blandt interagerende pitchingvinger ved hjælp af et stereoskopisk partikelbilledhastighedssystem, der er designet til at opnå øjeblikkelige hastighedsmålinger og relaterede egenskaber i væsker. Han vil også bruge en seks -akset kraft- og drejningsmoment -sensor, der kan tage seks samtidige målinger.

"Grundlæggende, mit team og jeg vil vedhæfte sensoren til pitching wing -modellen, og den vil mærke alle de kræfter, der virker på vingen, herunder tryk og træk, "siger Moored.

Disse kvantificeringsundersøgelser vil udgøre første gang sådanne detaljerede målinger af kræfterne, energikilder og strømningsfelter i tredimensionelle trykproducerende vekselvirkende organer i sådanne komplekse arrangementer er blevet samlet.

Låser op for et strukturelt mysterium

Ved hjælp af de samme eksperimenter, Moored vil også undersøge sin hypotese om, at de gitterlignende arrangementer, der ses i skolearrangementer i naturen, kan skyldes væskemedierede kræfter.

I tidligere publicerede værker, Moored har vist, at der findes en stabil ligevægtsafstand-en tilstand, hvor et legeme har en tendens til at vende tilbage til sin oprindelige position efter at være blevet forstyrret-mellem to interagerende pitching vingemodeller i et side-by-side arrangement. Han fandt ud af, at ligevægten var stabil for luft- eller vandstrømningsforstyrrelser i tværgående retning.

"Hvis den ene svømmer flyttede væk fra den anden, ville en væskemedieret kraft trække dem sammen igen og omvendt, "siger Moored.

Ved at undersøge variationer i position vil han afgøre, om det sted, han tidligere identificerede eller andre lignende, virkelig er stabile ligevægter i tre dimensioner.

Et sådant kraftkort kan forvandle forskernes forståelse af skoleadfærd - et vigtigt skridt i retning af en mere fuldstændig forståelse af gruppeadfærd inden for biologi og en større udvikling inden for undervandskøretøjsdesign inspireret af naturen.