使用鲨鱼秤设计更好的无人机 飞机和风力涡轮机

为了建造更多的空气动力学机器，研究人员从不太可能的来源中汲取灵感：海洋。

哈佛大学的一位进化生物学家和工程师团队与南卡罗来纳大学的同事合作，揭示了几十年前关于鲨鱼皮的谜团，并在此过程中展示了一种新的生物灵感结构，可以改善空气动力学飞机，风力涡轮机，无人机和汽车的性能。

该研究发表在“皇家学会界面杂志”上。

鲨鱼和飞机实际上并没有那么不同。两者都设计为有效地穿过流体(水和空气)，使用它们的身体形状来产生升力并减少阻力。不同的是，鲨鱼在设计过程中有大约4亿年的先机。

“鲨鱼的皮肤被成千上万的小鳞片或细小的鳞片所覆盖，它们的形状和大小在身体周围变化，”亨利布莱恩特毕格罗鱼类学教授和有机体系生物学教授乔治·劳德说。进化生物学，研究的共同作者。“我们对这些细齿的结构有很多了解 - 这与人类的牙齿非常相似 - 但这个功能一直存在争议。”

大多数研究都集中在减少细菌的减阻特性，但劳德和他的团队想知道是否还有更多的故事。

“我们问，如果不是主要减少阻力，这些特殊的形状实际上更适合增加升力，”哈佛大学博士后研究员，该研究的共同第一作者Mehdi Saadat说。Saadat在南卡罗来纳大学获得机械工程的联合任命。

为了帮助检验这一假设，研究人员与哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的工程师团队合作。为了获得灵感，他们转向了世界上速度最快的鲨鱼。mako的小齿有三个凸起的脊，像三叉戟。使用微型CT扫描，团队在三个维度上对齿形成像并建模。接下来，他们3-D在机翼表面上印刷了具有弯曲空气动力学横截面的形状，称为翼型。

“机翼是所有航空设备的主要组成部分，”奥古斯特·多梅尔博士说。哈佛大学的学生和论文的共同第一作者。“我们希望在翼型上测试这些结构，作为衡量它们对升力和阻力影响的一种方法，用于设计各种航空设备，如无人机，飞机和风力涡轮机。”

研究人员在水流罐内的翼型上测试了20种不同配置的牙齿尺寸，行和行位置。他们发现，除了减少阻力外，牙齿形结构显着增加了升力，充当了高功率，低轮廓的涡流发生器。

即使你不知道涡流发生器是什么，你已经看到了一个在行动。汽车和飞机配备了这些小型无源装置，旨在改变移动物体表面的气流，使其更具空气动力学性能。如今，该领域的大多数涡流发生器都具有简单的叶片式设计。

“与没有涡流发生器的翼型相比，这些鲨鱼式涡流发生器的升阻比提升高达323%，”Domel说。“通过这些概念设计证明，我们已经证明这些生物启发的涡流发生器有可能超越传统设计。”

“你可以想象这些涡流发生器被用在风力涡轮机或无人机上以提高叶片的效率，”SEAS应用力学的William和Ami Kuan Danoff教授以及该研究的共同作者Katia Bertoldi说。“这些结果为改进的生物启发空气动力学设计开辟了新途径。”

“这项研究不仅概述了涡流发生器的新颖形状，而且还提供了对复杂和潜在多功能鲨鱼齿的作用的见解，”劳德说。

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