op een dag, onderwaterrobots kunnen wezens zoals vissen zo nauw nabootsen dat ze niet alleen de echte dieren zelf, maar ook mensen voor de gek houden. Dat vermogen zou informatie kunnen opleveren die uiteenloopt van de gezondheid van de visbestanden tot de locatie van buitenlandse vaartuigen.

Zulke robots zouden snel moeten zijn, efficiënt, zeer wendbaar, en akoestisch onopvallend. Met andere woorden, ze zouden heel erg op tuimelaars of orka's moeten lijken.

"We zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van de volgende generatie onderwatervoertuigen, dus we proberen te begrijpen hoe dolfijnen en walvissen net zo efficiënt zwemmen als zij. " zegt Keith W. Moored, een assistent-professor werktuigbouwkunde en mechanica aan de P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen. "We bestuderen hoe deze dieren zijn ontworpen en wat gunstig is aan dat ontwerp in termen van hun zwemprestaties, of de vloeistofmechanica van hoe ze zwemmen."

Moored is de hoofdonderzoeker van een artikel dat onlangs is gepubliceerd in de Tijdschrift van de Royal Society Interface die de vloeistofmechanica van de voortstuwing van walvisachtigen onderzocht door hun oscillerende staartvinnen numeriek te simuleren. Voor de eerste keer, Moore en zijn team waren in staat om een ​​model te ontwikkelen dat kwantitatief kan voorspellen hoe de bewegingen van de vin moeten worden aangepast aan zijn vorm om de efficiëntie te maximaliseren. Het onderzoek maakte deel uit van een groter project dat werd ondersteund door het Office of Naval Research in het kader van zijn Multidisciplinair University Research Initiative-programma. Het project, die meer dan $ 7 miljoen aan financiering ontving (waarvan $ 1 miljoen naar Lehigh ging) over meer dan vijf jaar, omvatte ook de Universiteit van Virginia, Universiteit van West Chester, Princeton Universiteit, en Harvard-universiteit.

De staartvinnen van walvisachtigen (walvissen en dolfijnen) zijn er in een grote verscheidenheid aan vormen. De manier waarop deze dieren hun vinnen bewegen, of hun kinematica, varieert ook. Sommige walvisachtigen kunnen hun vinnen met een grotere amplitude flapperen, of zet ze in een steilere hoek. Moored en zijn team wilden dit samenspel tussen de twee variabelen beter begrijpen om te bepalen of de vorm van de staartvin was afgestemd op een specifieke set kinematica.

Met behulp van de vorm en kinematische gegevens voor vijf soorten walvisachtigen (met gemeenschappelijke namen van tuimelaar, gevlekte dolfijn, orka, valse orka, en beloegawalvis), ze voerden simulaties uit op elk van de soorten om de voortstuwingsefficiëntie te bepalen. Toen wisselden ze de gegevens om, bijvoorbeeld, een simulatie uitvoeren op de vinvorm van een orka die is bevestigd aan de kinematica van een dolfijn.

"We hebben 25 van deze verwisselde simulaties uitgevoerd, en we waren echt verrast, ", zegt Moored. "De vorm van de pseudo-orkavin was altijd de beste, wat betekent dat het het meest efficiënt was. Het maakte niet uit welke kinematica we eraan gaven. En de kinematica van de beluga-walvis was altijd de beste, ongeacht aan welke vorm het was bevestigd. Dat hadden we niet verwacht, dus begonnen we er meer in te graven en ontwikkelden we dit relatief simplistische model van hoe efficiëntie schaalt met verschillende kinematische en vormvariabelen."

Het model werkte goed om de gegevens vast te leggen die Moored en zijn team al hadden gegenereerd, dus breidden ze hun dataset uit om eventuele resulterende trends te onderzoeken. Ze ontdekten dat hun model niet alleen efficiëntie voorspelde die verder ging dan hun dataset, maar ook onthulde dat specifieke vormen waren afgestemd op specifieke kinematica.

Een interessante onthulling, zegt Moored, was het fundamentele samenspel tussen bloedsomloopkrachten en toegevoegde massakrachten die bijdragen aan de beweging van een dier. Bloedsomloopkrachten zijn die krachten die lift genereren, zoals bij vliegtuigen.

"Een staart die op en neer klappert, genereert krachten net als een vliegtuig, maar het genereert ook extra massakrachten die te maken hebben met hoe snel de vloeistof wordt versneld, ", zegt Moored. "In het verleden, mensen dachten niet dat die toegevoegde massakrachten zo relevant waren bij het zwemmen met walvisachtigen. In de eerdere literatuur wordt het helemaal niet erkend. Maar we ontdekten dat de versnellingen van de vin een integraal onderdeel zijn van het voorspellen van de trends van efficiëntie, en dat was fascinerend voor ons. Het geeft ons uiteindelijk een voorspellend model dat nauwkeurig is. Zonder het, we zouden eigenlijk zeggen dat de vorm van de vin de efficiëntie niet verandert, en dat is niet waar."

Het hebben van een model dat prestaties kan voorspellen op basis van vorm en kinematica, biedt een soort basisontwerpvergelijking voor het bouwen van een onderwaterrobot die presteert als een walvisachtigen. Daten, deze vergelijkingen hebben niet bestaan. En het potentieel van deze machines is enorm. Snel, efficiënt, en zeer wendbare visvormige robots kunnen onderzoekers helpen hypothesen te testen over hoe de dieren zwemmen, en het gedrag van visscholen beter te begrijpen. Ze kunnen worden gebruikt om onderzeeërs en andere duikboten te detecteren. Ze kunnen ook worden gebruikt om de impact van klimaatverandering op visbestandpopulaties te monitoren.

Moored en zijn team zijn al verder gegaan en hebben hun schaalmodel uitgebreid om rekening te houden met een groter aantal variabelen die ze vervolgens hebben gevalideerd met experimentele gegevens. uiteindelijk, ze willen een veel meer voorspellend model bouwen. Een die de effecten van deze variabelen vastlegt, en kan vervolgens de prestaties voor een reeks toepassingen voorspellen.

"Dit probleem met het zwemmen van vissen is een heel spannend probleem omdat het zo ingewikkeld is, " zegt hij. "Het is fascinerend om deze chaos van variabelen te nemen en er orde in te zien, om de structuur erin te zien, en om te begrijpen wat er fundamenteel gebeurt."