Forskere fløj det i at efterligne evolution for at finde den bedste flyform

Et team af matematikere har bestemt den ideelle vingeform til hurtig flappende flyvning - en opdagelse, der giver løfte om bedre metoder til at høste energi fra vand samt for at øge lufthastigheden.

Arbejdet, som fremgår af journalen Proceedings of the Royal Society A , bygger på en teknik, der efterligner evolutionær biologi for at fastslå, hvilken struktur der giver det bedste tempo.

"Vi kan simulere biologisk udvikling i laboratoriet ved at generere en population af vinger af forskellige former, få dem til at konkurrere om at nå et ønsket mål, I dette tilfælde, hastighed, og derefter få de bedste vinger til at '' yngle '' til at lave relaterede former, der gør det endnu bedre, "siger Leif Ristroph, en assisterende professor ved New York University's Courant Institute of Mathematical Sciences og papirets seniorforfatter.

Ved at træffe disse beslutninger, forskerne gennemførte en række eksperimenter i NYU's Applied Math Lab. Her, de skabte 3D-trykte vinger, der klappes mekanisk og køres mod hinanden, med vinderne "avl" via en evolutionær eller genetisk algoritme til at skabe stadig hurtigere flyers.

For at efterligne denne avlsproces, forskerne begyndte eksperimentet med 10 forskellige vingeformer, hvis fremdriftshastigheder blev målt. Algoritmen valgte derefter par med de hurtigste vinger ("forældre") og kombinerede deres attributter for at skabe endnu hurtigere "døtre", der derefter blev 3D-printet og testet. De gentog denne proces for at skabe 15 generationer af vinger, med hver generation, der giver afkom hurtigere end den forrige.

"Denne 'overlevelse af den hurtigste' proces opdager automatisk en hurtigste dråbeformet vinge, der mest effektivt manipulerer strømningerne for at generere tryk, "forklarer Ristroph." Yderligere, fordi vi udforskede en lang række former i vores undersøgelse, Vi var også i stand til at identificere præcis, hvilke aspekter af formen der var mest ansvarlige for de hurtigste vingers stærke præstationer. "

Deres resultater viste, at den hurtigste vingeform har en kniv-tynd bagkant, hvilket hjælper med at generere stærke hvirvler eller hvirvlende strømme under flapp. Vingen efterlader et spor af disse hvirvler, da den skubber væsken af ​​sted for at drive fremad.

"Vi betragter arbejdet som et casestudie og proof-of-concept for en meget bredere klasse af komplekse ingeniørproblemer, især dem, der involverer objekter i strømninger, såsom at strømline formen for at minimere træk på en struktur, "bemærker Ristroph." Vi tror, ​​at dette kunne bruges, for eksempel, at optimere formen af ​​en struktur til at høste energien i vandbølger. "