Een team van wiskundigen heeft de ideale vleugelvorm bepaald voor een snelle fladderende vlucht - een ontdekking die veelbelovend is voor betere methoden voor het oogsten van energie uit water en voor het verhogen van de luchtsnelheid.

Het werk, die in het journaal verschijnt Proceedings van de Royal Society A , vertrouwt op een techniek die evolutionaire biologie nabootst om vast te stellen welke structuur het beste tempo oplevert.

"We kunnen biologische evolutie in het laboratorium simuleren door een populatie van vleugels met verschillende vormen te genereren, laat ze concurreren om een ​​bepaald doel te bereiken, in dit geval, snelheid, en dan de beste vleugels laten 'kweken' om verwante vormen te maken die het nog beter doen, " zegt Leif Ristroph, een assistent-professor aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de New York University en de senior auteur van het artikel.

Bij het maken van deze vaststellingen, de onderzoekers voerden een reeks experimenten uit in het Applied Math Lab van de NYU. Hier, ze creëerden 3D-geprinte vleugels die mechanisch klappen en tegen elkaar racen, waarbij de winnaars via een evolutionair of genetisch algoritme "kweken" om steeds snellere vliegers te maken.

Om dit veredelingsproces na te bootsen, de onderzoekers begonnen het experiment met 10 verschillende vleugelvormen waarvan de voortstuwingssnelheden werden gemeten. Het algoritme selecteerde vervolgens paren van de snelste vleugels ("ouders") en combineerde hun attributen om nog snellere "dochters" te creëren die vervolgens 3D-geprint en getest werden. Ze herhaalden dit proces om 15 generaties vleugels te creëren, waarbij elke generatie sneller nakomelingen voortbrengt dan de vorige.

"Dit 'overleving van het snelste' proces ontdekt automatisch een snelste traanvormige vleugel die de stromen het meest effectief manipuleert om stuwkracht te genereren, " legt Ristroph uit. "Verder, omdat we in onze studie een grote verscheidenheid aan vormen hebben onderzocht, we waren ook in staat om precies te identificeren welke aspecten van de vorm het meest verantwoordelijk waren voor de sterke prestaties van de snelste vleugels."

Hun resultaten toonden aan dat de snelste vleugelvorm een ​​flinterdunne achterrand heeft, die helpt bij het genereren van sterke wervelingen of wervelende stromen tijdens het klapperen. De vleugel laat een spoor van deze wervelingen achter terwijl deze de vloeistof van zich af duwt om vooruit te stuwen.

"We zien het werk als een case study en proof-of-concept voor een veel bredere klasse van complexe technische problemen, vooral die waarbij objecten in stromen betrokken zijn, zoals het stroomlijnen van de vorm om de weerstand op een structuur te minimaliseren, " merkt Ristroph op. "We denken dat dit kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de vorm van een structuur te optimaliseren voor het oogsten van de energie in watergolven."