A estrutura da esteira deixada por um golfinho nadador produzida usando uma estrutura numérica do método de elemento de limite rápido interno. É uma visão de cima para baixo da estrutura da esteira. O resultado foi produzido por Fatma Ayancik, um estudante de doutorado na Universidade de Lehigh, e faz parte de seus resultados examinando o desempenho propulsivo de golfinhos e baleias. O objetivo é descobrir a ciência por trás da produção da próxima geração de sistemas subaquáticos não tripulados que são bioinspirados. Este trabalho é financiado pelo Office of Naval Research (ONR) em um programa Multi-disciplinary University Research Initiative (MURI). Como tal, este é um projeto colaborativo com a Universidade da Virgínia, West Chester University, Universidade de Princeton e Universidade de Harvard. Crédito:Christa Neu, Lehigh University Communications + Public Affairs
É fácil especular por que os peixes podem nadar em cardumes - melhor proteção contra predadores, capacidade aprimorada de forrageamento, comunicação mais fácil de peixe para peixe. Ainda, nenhum deles revela por que os peixes podem se mover juntos em um padrão específico.
Pesquisas sobre a energética de cardumes de peixes oferecem dados contra-intuitivos - os padrões de grupo não maximizam necessariamente o uso de energia.
Então por que eles fazem isso? Professor assistente de engenharia mecânica e mecânica, Keith Moored, acredita que forças mediadas por fluidos estão em ação. Na verdade, sua pesquisa anterior apontou para essa probabilidade.
"A formação 3-D criada por um grupo de peixes é semelhante a átomos sendo puxados por forças para uma estrutura de rede, "diz Moored.
Obter uma compreensão abrangente dessas interações coletivas pode ajudar os cientistas a determinar o quão frágeis as redes biológicas são para a sobrepesca, perda de habitat e mudanças climáticas. Também pode abrir a porta para o desenvolvimento de escolas de tecnologias bioinspiradas.
Atualmente, veículos subaquáticos não tripulados são usados para auxiliar na pesca comercial, para coleta de amostra de água, em operações de busca e salvamento e para fins militares.
No futuro, diz Moored, em vez de apenas um, é provável que um grupo de dispositivos seja enviado debaixo d'água para realizar um conjunto de tarefas, já que essa abordagem coletiva é muito mais eficiente. Mas existem obstáculos.
"A chave para fazer um avanço no design de coletivos de alto desempenho de dispositivos bioinspirados é entender a mecânica fundamental dos fluidos das interações coletivas, "diz Moored." Mas, no momento, não temos uma compreensão completa da dinâmica dos fluidos entre os peixes nos cardumes. "
Moored recebeu o Prêmio de Carreira da National Science Foundation (NSF) para explorar esta área promissora de investigação. Ele usará os fundos para obter uma melhor compreensão dos mecanismos de fluxo que ocorrem entre os instáveis (devido a aletas oscilantes), corpos tridimensionais interagindo em arranjos complexos.
Em última análise, seu trabalho poderia responder à pergunta:o que os cientistas podem emprestar da natureza para formar equipes de veículos aquáticos tão otimizados para o movimento subaquático quanto peixes nadando em um cardume?
Transformando nossa compreensão da escolaridade
Um dos primeiros objetivos do Moored é caracterizar as forças, energética e física de fluxo da locomoção coletiva para vários arranjos típicos da locomoção animal.
Com ampla experiência no desenvolvimento de instalações de teste dinâmico de fluidos, ele usará um túnel de vento de baixa velocidade e duas asas de lançamento - modelos de asas que podem imitar as oscilações da cauda de um peixe. As asas serão dispostas em várias configurações e sujeitas a uma série de condições de fluxo.
Amarrado irá caracterizar os campos de fluxo entre as asas de inclinação interativas usando um sistema de velocimetria de imagem de partícula estereoscópica que é projetado para obter medições de velocidade instantâneas e propriedades relacionadas em fluidos. Ele também usará um sensor de força e torque de seis eixos que pode fazer seis medições simultâneas.
"Essencialmente, minha equipe e eu conectaremos o sensor ao modelo da asa de lançamento e ele sentirá todas as forças agindo na asa, incluindo o impulso e arrasto, "diz Moored.
Esses estudos de quantificação constituirão a primeira vez que tais medições detalhadas das forças, energia e campos de fluxo de corpos interagentes produtores de empuxo tridimensional em tais arranjos complexos foram montados.
Desvendando um mistério estrutural
Usando os mesmos experimentos, Moored também examinará sua hipótese de que os arranjos em forma de rede vistos em arranjos escolares na natureza podem ser devidos a forças mediadas por fluidos.
Em trabalho publicado anteriormente, Moored mostrou que uma distância de equilíbrio estável - um estado em que um corpo tende a retornar à sua posição original depois de ser perturbado - existe entre dois modelos de asas em movimento em um arranjo lado a lado. Ele descobriu que o equilíbrio era estável para distúrbios de fluxo de ar ou água na direção do fluxo cruzado.
"Se um nadador se afastasse do outro, uma força mediada por fluido os puxaria de volta e vice-versa, "diz Moored.
Sondando as variações de posição, ele determinará se o local que identificou anteriormente ou outros semelhantes são equilíbrios verdadeiramente estáveis em três dimensões.
Esse mapa de força poderia transformar a compreensão dos cientistas sobre o comportamento escolar - um passo importante em direção a uma compreensão mais completa dos comportamentos de grupo em biologia e um grande desenvolvimento no projeto de veículos subaquáticos inspirado na natureza.
