Om meer aerodynamische machines te bouwen, onderzoekers halen inspiratie uit een onwaarschijnlijke bron:de oceaan.

Een team van evolutionaire biologen en ingenieurs aan de Harvard University, in samenwerking met collega's van de Universiteit van South Carolina, licht hebben geworpen op een decennia oud mysterie over haaienhuid en, in het proces, toonde een nieuwe, bio-geïnspireerde structuur die de aerodynamische prestaties van vliegtuigen zou kunnen verbeteren, windturbines, drones en auto's.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Tijdschrift van de Royal Society Interface .

Haaien en vliegtuigen zijn eigenlijk niet zo verschillend. Beide zijn ontworpen om efficiënt door vloeistof (water en lucht) te bewegen, de vorm van hun lichaam gebruiken om lift te genereren en weerstand te verminderen. Het verschil is, haaien hebben een voorsprong van ongeveer 400 miljoen jaar in het ontwerpproces.

"De huid van haaien is bedekt met duizenden en duizenden kleine schubben, of tandjes, die in vorm en grootte rond het lichaam variëren, " zei George Lauder, de Henry Bryant Bigelow hoogleraar Ichthyologie en hoogleraar biologie bij de afdeling Organismische en Evolutionaire Biologie, en co-auteur van het onderzoek. "We weten veel over de structuur van deze tandjes - die erg lijken op menselijke tanden - maar de functie is besproken."

Het meeste onderzoek heeft zich gericht op de weerstandverminderende eigenschappen van denticles, maar Lauder en zijn team vroegen zich af of er meer aan de hand was.

"We vroegen, wat als in plaats van voornamelijk de weerstand te verminderen, deze specifieke vormen waren eigenlijk beter geschikt om de lift te vergroten, " zei Mehdi Saadat, een postdoctoraal onderzoeker aan Harvard en co-eerste auteur van de studie. Saadat heeft een gezamenlijke aanstelling in Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van South Carolina.

Om die hypothese te helpen testen, de onderzoekers werkten samen met een team van ingenieurs van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Voor inspiratie, ze wendden zich tot de kortvinmakreel, de snelste haai ter wereld. De tanden van de mako hebben drie opstaande ribbels, als een drietand. Met behulp van micro-CT-scanning, het team beeldde en modelleerde de denticles in drie dimensies. Volgende, ze hebben de vormen 3D geprint op het oppervlak van een vleugel met een gebogen aerodynamische doorsnede, bekend als een vleugel.

"Airfoils zijn een primair onderdeel van alle luchttoestellen, " zei August Domel, een doctoraat student aan Harvard en co-eerste auteur van het artikel. "We wilden deze structuren testen op draagvlakken om hun effect op lift en weerstand te meten voor toepassingen in het ontwerp van verschillende luchtapparatuur zoals drones, vliegtuigen, en windturbines."

De onderzoekers testten 20 verschillende configuraties van dentikelgroottes, rijen en rijposities op draagvlakken in een waterstroomtank. Ze ontdekten dat naast het verminderen van de weerstand, de tandvormige structuren verhoogden de lift aanzienlijk, optreden als krachtige, onopvallende vortexgeneratoren.

Zelfs als je niet weet wat een vortexgenerator is, je hebt er een in actie gezien. Auto's en vliegtuigen zijn uitgerust met deze kleine, passieve apparaten die zijn ontworpen om de luchtstroom over het oppervlak van een bewegend object te veranderen om het aerodynamischer te maken. De meeste vortexgeneratoren die tegenwoordig in het veld worden gebruikt, hebben een eenvoudig, bladachtig ontwerp.

"Deze op haaien geïnspireerde vortex-generatoren bereiken verbeteringen in de lift-naar-drag-verhouding tot 323 procent in vergelijking met een draagvleugel zonder vortex-generatoren, " zei Domel. "Met deze proof of concept-ontwerpen, we hebben aangetoond dat deze bio-geïnspireerde vortexgeneratoren het potentieel hebben om traditionele ontwerpen te overtreffen."

"Je kunt je voorstellen dat deze vortexgeneratoren worden gebruikt op windturbines of drones om de efficiëntie van de wieken te verhogen, " zei Katia Bertoldi, William en Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics bij SEAS en co-auteur van de studie. "De resultaten openen nieuwe wegen voor verbeterde, bio-geïnspireerde aerodynamische ontwerpen."

"Dit onderzoek schetst niet alleen een nieuwe vorm voor vortexgeneratoren, maar geeft ook inzicht in de rol van complexe en potentieel multifunctionele haaientanden, " zei Lauder.