La estructura de la estela dejada por un delfín nadando se produjo utilizando un marco numérico interno del método de elementos de límite rápido. Es una vista de arriba hacia abajo de la estructura de la estela. El resultado fue producido por Fatma Ayancik, estudiante de doctorado en Lehigh University, y es parte de sus resultados al examinar el desempeño propulsor de delfines y ballenas. El objetivo es descubrir la ciencia detrás de la producción de la próxima generación de sistemas submarinos no tripulados que están inspirados en la naturaleza. Este trabajo está financiado a través de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en un programa de Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI). Como tal, este es un proyecto de colaboración con la Universidad de Virginia, Universidad de West Chester, Universidad de Princeton y Universidad de Harvard. Crédito:Christa Neu, Comunicaciones + Asuntos Públicos de la Universidad de Lehigh
Es fácil especular por qué los peces pueden nadar en los bancos:mejor protección contra los depredadores, capacidad mejorada de forrajeo, comunicación de pez a pez más fácil. Todavía, ninguno de estos revela por qué los peces pueden moverse juntos en un patrón específico.
La investigación sobre la energía de los bancos de peces ofrece datos contrarios a la intuición:los patrones de grupo no necesariamente maximizan el uso de energía.
Entonces, ¿por qué lo hacen? Profesor asistente de ingeniería mecánica y mecánica, Keith amarrado, cree que actúan fuerzas mediadas por fluidos. De hecho, su investigación anterior ha señalado su probabilidad.
"La formación tridimensional creada por un grupo de peces es similar a los átomos que son empujados por fuerzas hacia una estructura reticular, "dice Amarrado.
Obtener una comprensión integral de estas interacciones colectivas podría ayudar a los científicos a determinar cuán frágiles son las redes biológicas para la sobrepesca. pérdida de hábitat y cambio climático. También podría abrir la puerta al desarrollo de escuelas de tecnologías bioinspiradas.
En la actualidad, Los vehículos submarinos no tripulados se utilizan para ayudar en la pesca comercial. para la recogida de muestras de agua, en operaciones de búsqueda y salvamento y con fines militares.
En el futuro, dice Amarrado, en lugar de solo uno, Es probable que se envíe un grupo de dispositivos bajo el agua para realizar una serie de tareas, ya que este enfoque colectivo es mucho más eficiente. Pero hay obstáculos.
"La clave para lograr un gran avance en el diseño de colectivos de alto rendimiento de dispositivos bioinspirados es comprender la mecánica de fluidos fundamental de las interacciones colectivas, ", dice Moored." Pero en este momento no tenemos un conocimiento profundo de la dinámica de fluidos entre los peces en los bancos ".
Moored ha recibido un premio a la carrera de la National Science Foundation (NSF) para explorar esta prometedora área de investigación. Utilizará los fondos para comprender mejor los mecanismos de flujo que ocurren entre inestables (debido a aletas oscilantes), cuerpos tridimensionales que interactúan en arreglos complejos.
En última instancia, su trabajo podría responder a la pregunta:¿qué pueden los científicos tomar prestado de la naturaleza para lograr equipos de vehículos acuáticos tan optimizados para el movimiento bajo el agua como los peces que nadan en una escuela?
Transformando nuestra comprensión de la escolarización
Uno de los primeros objetivos de Moored es caracterizar las fuerzas, energética y física del flujo de la locomoción colectiva para diversos arreglos típicos de la locomoción animal.
Con una amplia experiencia en el desarrollo de instalaciones de prueba dinámica de fluidos, utilizará un túnel de viento de baja velocidad y dos alas de cabeceo, modelos de alas que pueden imitar las oscilaciones de la cola de un pez. Las alas estarán dispuestas en varias configuraciones y sometidas a una serie de condiciones de flujo.
Moored caracterizará los campos de flujo entre las alas de cabeceo que interactúan utilizando un sistema de velocimetría de imágenes de partículas estereoscópicas que está diseñado para obtener mediciones de velocidad instantáneas y propiedades relacionadas en los fluidos. También utilizará un sensor de fuerza y par de seis ejes que puede realizar seis mediciones simultáneas.
"Esencialmente, mi equipo y yo conectaremos el sensor al modelo de ala de lanzamiento y detectará todas las fuerzas que actúan sobre el ala, incluyendo el empuje y el arrastre, "dice Amarrado.
Estos estudios de cuantificación constituirán la primera vez que se realizan mediciones tan detalladas de las fuerzas, Se han ensamblado campos energéticos y de flujo de cuerpos interactivos que producen empujes tridimensionales en arreglos tan complejos.
Desvelando un misterio estructural
Usando los mismos experimentos, Moored también examinará su hipótesis de que los arreglos en forma de celosía que se ven en los arreglos escolares en la naturaleza pueden deberse a fuerzas mediadas por fluidos.
En trabajos publicados anteriormente, Moored ha demostrado que existe una distancia de equilibrio estable (un estado en el que un cuerpo tiende a volver a su posición original después de ser perturbado) entre dos modelos de alas de cabeceo que interactúan en una disposición de lado a lado. Encontró que el equilibrio era estable para las alteraciones del flujo de aire o agua en la dirección transversal a la corriente.
"Si un nadador se aleja del otro, una fuerza mediada por fluidos los volverá a unir y viceversa, "dice Amarrado.
Al sondear las variaciones de posición, determinará si la ubicación que identificó previamente u otras similares son verdaderos equilibrios estables en tres dimensiones.
Tal mapa de fuerzas podría transformar la comprensión de los científicos sobre el comportamiento escolar, un paso importante hacia una comprensión más completa de los comportamientos grupales en biología y un desarrollo importante en el diseño de vehículos submarinos inspirados en la naturaleza.
