Brug af hajvægte til at designe bedre droner, fly, og vindmøller

At bygge flere aerodynamiske maskiner, forskere henter inspiration fra en usandsynlig kilde:havet.

Et team af evolutionære biologer og ingeniører ved Harvard University, i samarbejde med kolleger fra University of South Carolina, har kastet lys over et årtier gammelt mysterium om hajskind og, i processen, demonstreret en ny, bioinspireret struktur, der kunne forbedre den aerodynamiske ydeevne af fly, vindturbine, droner og biler.

Forskningen er publiceret i Journal of the Royal Society Interface .

Hajer og flyvemaskiner er faktisk ikke så forskellige. Begge er designet til effektivt at bevæge sig gennem væske (vand og luft), bruge formen på deres kroppe til at generere løft og mindske modstand. Forskellen er, hajer har omkring 400 millioner års forspring på designprocessen.

"Hajernes hud er dækket af tusinder og atter tusinder af små skæl, eller dentikler, som varierer i form og størrelse rundt om kroppen, " sagde George Lauder, Henry Bryant Bigelow professor i iktyologi og professor i biologi ved Institut for Organismisk og Evolutionær Biologi, og medforfatter til forskningen. "Vi ved meget om strukturen af ​​disse dentikler - som ligner meget menneskelige tænder - men funktionen er blevet diskuteret."

Det meste af forskningen har fokuseret på dentiklers modstandsreducerende egenskaber, men Lauder og hans team spekulerede på, om der var mere i historien.

"Vi spurgte, hvad nu hvis i stedet for primært at reducere modstand, disse særlige former var faktisk bedre egnede til at øge løft, " sagde Mehdi Saadat, en postdoc ved Harvard og medførsteforfatter af undersøgelsen. Saadat har en fælles ansættelse i Mechanical Engineering ved University of South Carolina.

For at hjælpe med at teste den hypotese, forskerne samarbejdede med et team af ingeniører fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Til inspiration, de vendte sig til den kortfinnede mako, den hurtigste haj i verden. Makos dentikler har tre forhøjede kamme, som en trefork. Ved hjælp af mikro-CT-scanning, holdet afbildede og modellerede dentiklerne i tre dimensioner. Næste, de 3-D printede formerne på overfladen af ​​en vinge med et buet aerodynamisk tværsnit, kendt som en bæreflade.

"Airfoils er en primær komponent i alle antenneanordninger, " sagde August Domel, en ph.d. studerende ved Harvard og medførsteforfatter af papiret. "Vi ønskede at teste disse strukturer på bæreflader som en måde at måle deres effekt på løft og træk til applikationer i design af forskellige luftenheder såsom droner, flyvemaskiner, og vindmøller."

Forskerne testede 20 forskellige konfigurationer af dentikelstørrelser, rækker og rækkepositioner på bæreprofiler inde i en vandstrømsbeholder. De fandt ud af at reducere luftmodstanden, de dentikelformede strukturer øgede løft markant, fungerer som højkraftige, lavprofil vortex generatorer.

Selvom du ikke ved, hvad en hvirvelgenerator er, du har set en i aktion. Biler og fly er udstyret med disse små, passive enheder designet til at ændre luftstrømmen over overfladen af ​​et bevægeligt objekt for at gøre det mere aerodynamisk. De fleste hvirvelgeneratorer i marken i dag har en enkel, bladlignende design.

"Disse haj-inspirerede hvirvelgeneratorer opnår løft-til-træk-forholdsforbedringer på op til 323 procent sammenlignet med en bæreflade uden hvirvelgeneratorer, " sagde Domel. "Med disse proof of concept designs, Vi har vist, at disse bioinspirerede hvirvelgeneratorer har potentialet til at udkonkurrere traditionelle designs."

"Du kan forestille dig, at disse hvirvelgeneratorer bliver brugt på vindmøller eller droner for at øge effektiviteten af ​​vingerne, " sagde Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik ved SEAS og medforfatter til undersøgelsen. "Resultaterne åbner nye muligheder for at forbedre, bioinspirerede aerodynamiske designs."

"Denne forskning skitserer ikke kun en ny form for hvirvelgeneratorer, men giver også indsigt i rollen som komplekse og potentielt multifunktionelle haj-dentikler, " sagde Lauder.