Του Ντάνιελ Κουίν

Τα υποβρύχια οχήματα δεν έχουν αλλάξει πολύ από τα υποβρύχια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Είναι άκαμπτα, αρκετά κουτί και χρησιμοποιούν έλικες για να κινούνται. Και είτε πρόκειται για μεγάλα επανδρωμένα σκάφη είτε για μικρά ρομπότ, τα περισσότερα υποβρύχια οχήματα έχουν μία ταχύτητα πλεύσης όπου είναι πιο ενεργειακά αποδοτικά.

Τα ψάρια ακολουθούν μια πολύ διαφορετική προσέγγιση στην κίνηση μέσα στο νερό: το σώμα και τα πτερύγια τους είναι πολύ εύκαμπτα και αυτή η ευελιξία τους επιτρέπει να αλληλεπιδρούν με το νερό πιο αποδοτικά παρά άκαμπτες μηχανές. Οι ερευνητές σχεδιάζουν και κατασκευάζουν εύκαμπτα ρομπότ σαν ψάρια εδώ και χρόνια, αλλά το κάνουν εξακολουθεί να βρίσκεται πολύ πίσω από τα πραγματικά ψάρια όσον αφορά την αποτελεσματικότητα.

Τι λείπει?

είμαι ένας μηχανικός και μελέτη δυναμικής ρευστών. Οι συνεργάτες μου και εγώ αναρωτηθήκαμε αν κάτι συγκεκριμένα σχετικά με την ευελιξία των ουρών των ψαριών επιτρέπει στα ψάρια να είναι τόσο γρήγορα και αποτελεσματικά στο νερό. Έτσι, δημιουργήσαμε ένα μοντέλο και κατασκευάσαμε ένα ρομπότ για να μελετήσουμε την επίδραση της ακαμψίας στην αποτελεσματικότητα της κολύμβησης. Βρήκαμε ότι τα ψάρια κολυμπούν τόσο αποτελεσματικά σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων επειδή μπορούν αλλάζουν πόσο άκαμπτες ή εύκαμπτες είναι οι ουρές τους σε πραγματικό χρόνο.

Γιατί οι άνθρωποι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν προπέλες;

Η δυναμική των ρευστών ισχύει τόσο για υγρά όσο και για αέρια. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν περιστρεφόμενα άκαμπτα αντικείμενα για να μετακινούν οχήματα εδώ και εκατοντάδες χρόνια – Leonardo Da Vinci ενσωμάτωσε την ιδέα στα σχέδια του ελικοπτέρου, και τα πρώτα σκάφη με έλικα ήταν χτίστηκε τη δεκαετία του 1830. Οι έλικες κατασκευάζονται εύκολα και λειτουργούν μια χαρά με τη σχεδιασμένη ταχύτητα κρουαζιέρας.

Αυτό έγινε μόνο τις τελευταίες δύο δεκαετίες προόδους στη μαλακή ρομποτική έχουν κάνει πραγματικότητα τα ενεργά ελεγχόμενα εύκαμπτα εξαρτήματα. Τώρα, οι θαλάσσιοι ρομποτικοί στρέφονται στα εύκαμπτα ψάρια και τις εκπληκτικές τους κολυμβητικές ικανότητες για έμπνευση.

Όταν μηχανικοί σαν εμένα μιλούν για ευελιξία σε ένα ρομπότ κολύμβησης, συνήθως αναφερόμαστε στο πόσο άκαμπτη είναι η ουρά του ψαριού. Η ουρά είναι ολόκληρο το πίσω μισό του σώματος ενός ψαριού που κινείται μπρος-πίσω όταν αυτό κολυμπά.

Σκεφτείτε τον τόνο, ο οποίος μπορεί να κολυμπήσει έως 50 mph και είναι εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικό σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων.

Το δύσκολο μέρος της αντιγραφής της εμβιομηχανικής των ψαριών είναι ότι οι βιολόγοι δεν γνωρίζουν πόσο ευέλικτοι είναι στον πραγματικό κόσμο. Αν θέλετε να μάθετε πόσο εύκαμπτο είναι ένα λαστιχάκι, απλά το τραβάτε. Εάν τραβήξετε την ουρά ενός ψαριού, η ακαμψία εξαρτάται από το πόσο το ψάρι τεντώνει τους διάφορους μύες του.

Το καλύτερο που μπορούν να κάνουν οι ερευνητές εκτίμηση ευελιξίας κινηματογραφεί ένα ψάρι που κολυμπά και μετράει πώς αλλάζει το σχήμα του σώματός του.

Αναζήτηση απαντήσεων στα μαθηματικά

Οι ερευνητές έχτισαν δεκάδες ρομπότ σε μια προσπάθεια να μιμηθεί την ευελιξία και τα μοτίβα κολύμβησης του τόνου και άλλων ψαριών, αλλά κανένα δεν ταιριάζει με την απόδοση των πραγματικών πραγμάτων.

Στο εργαστήριό μου στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια, οι συνάδελφοί μου και εγώ αντιμετωπίσαμε τις ίδιες ερωτήσεις με άλλους: Πόσο ευέλικτο πρέπει να είναι το ρομπότ μας; Και αν δεν υπάρχει καμία καλύτερη ευελιξία, πώς πρέπει το ρομπότ μας να αλλάξει την ακαμψία του καθώς κολυμπά;

Αναζητήσαμε την απάντηση σε ένα παλιό έγγραφο της NASA για τα δονούμενα φτερά αεροπλάνου. Η αναφορά εξηγεί πώς όταν τα φτερά ενός αεροπλάνου δονούνται, οι δονήσεις αλλάζουν την ποσότητα ανύψωσης που παράγουν τα φτερά. Δεδομένου ότι τα πτερύγια ψαριών και τα φτερά του αεροπλάνου έχουν παρόμοια σχήματα, τα ίδια μαθηματικά λειτουργούν καλά για να μοντελοποιήσουν πόση ώθηση παράγουν οι ουρές των ψαριών καθώς πτερύουν μπρος-πίσω.

Χρησιμοποιώντας την παλιά θεωρία των φτερών, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Qiang Zhong και εγώ δημιουργήσαμε ένα μαθηματικό μοντέλο ενός ψαριού που κολυμπούσε και προσθέσαμε ένα ελατήριο και τροχαλία στην ουρά για να αναπαραστήσουν τα αποτελέσματα ενός τεντωμένου μυός. Ανακαλύψαμε μια εκπληκτικά απλή υπόθεση που κρύβεται στις εξισώσεις. Για να μεγιστοποιηθεί η αποτελεσματικότητα, χρειάζεται η ένταση των μυών αυξάνεται ως το τετράγωνο της ταχύτητας κολύμβησης. Έτσι, εάν η ταχύτητα κολύμβησης διπλασιαστεί, η ακαμψία πρέπει να αυξηθεί κατά τέσσερις φορές. Για να κολυμπήσει τρεις φορές πιο γρήγορα διατηρώντας παράλληλα υψηλή απόδοση, ένα ψάρι ή ένα ρομπότ που μοιάζει με ψάρι πρέπει να τραβήξει τον τένοντα του περίπου εννέα φορές πιο δυνατά.

Για να επιβεβαιώσουμε τη θεωρία μας, απλώς προσθέσαμε έναν τεχνητό τένοντα σε ένα από τα ρομπότ μας που μοιάζει με τόνο και στη συνέχεια προγραμματίσαμε το ρομπότ να μεταβάλλει την ακαμψία της ουράς του με βάση την ταχύτητα. Στη συνέχεια, βάλαμε το νέο μας ρομπότ στη δεξαμενή δοκιμής μας και το περάσαμε σε διάφορες «αποστολές» – όπως ένα σπριντ 200 μέτρων όπου έπρεπε να αποφύγει προσομοιωμένα εμπόδια. Με τη δυνατότητα να μεταβάλλει την ευελιξία της ουράς του, το ρομπότ χρησιμοποιούσε περίπου τη μισή ενέργεια κατά μέσο όρο σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων σε σύγκριση με ρομπότ με μία μόνο ακαμψία.

Γιατί έχει σημασία

Αν και είναι υπέροχο να φτιάχνεις ένα εξαιρετικό ρομπότ, αυτό που μας ενθουσιάζει περισσότερο οι συνάδελφοί μου και εγώ είναι ότι το μοντέλο μας είναι προσαρμόσιμο. Μπορούμε να το τροποποιήσουμε με βάση το μέγεθος του σώματος, το στυλ κολύμβησης ή ακόμα και τον τύπο υγρού. Μπορεί να εφαρμοστεί σε ζώα και μηχανές είτε είναι μεγάλα είτε μικρά, κολυμβητές ή ιπτάμενοι.

Για παράδειγμα, το μοντέλο μας προτείνει ότι τα δελφίνια έχουν πολλά να κερδίσουν από την ικανότητα να αλλάζουν την ακαμψία της ουράς τους, ενώ τα χρυσόψαρα δεν ωφελούνται ιδιαίτερα λόγω του μεγέθους του σώματός τους, του σχήματος του σώματος και του στυλ κολύμβησης.

Το μοντέλο έχει επίσης εφαρμογές για ρομποτικό σχεδιασμό. Η υψηλότερη ενεργειακή απόδοση όταν κολυμπάτε ή πετάτε – που σημαίνει επίσης πιο αθόρυβα ρομπότ – θα επέτρεπε ριζικά νέες αποστολές για οχήματα και ρομπότ που έχουν επί του παρόντος μόνο μία αποτελεσματική ταχύτητα πλεύσης. Βραχυπρόθεσμα, αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους βιολόγους να μελετήσουν ευκολότερα τις κοίτες ποταμών και τους κοραλλιογενείς υφάλους, να επιτρέψουν στους ερευνητές να παρακολουθούν τα ρεύματα του ανέμου και των ωκεανών σε άνευ προηγουμένου κλίμακες ή να επιτρέψουν στις ομάδες έρευνας και διάσωσης να λειτουργούν μακρύτερα και περισσότερο.

Μακροπρόθεσμα, ελπίζω ότι η έρευνά μας θα μπορούσε να εμπνεύσει νέα σχέδια για υποβρύχια και αεροπλάνα. Οι άνθρωποι εργάζονται σε κολυμβητικές και ιπτάμενες μηχανές μόνο για μερικούς αιώνες, ενώ τα ζώα τελειοποιούν τις δεξιότητές τους εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι υπάρχουν ακόμα πολλά να μάθουμε από αυτούς.

Ο Daniel Quinn λαμβάνει χρηματοδότηση από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε στο Η συζήτηση.

ετικέτες: βιο-εμπνευσμένο, γ-Έρευνα-Καινοτομία