Har du någonsin sett vattendjur hoppa upp ur vattnet och undrar hur de lyckas göra det på ett så strömlinjeformat och graciöst sätt? En grupp forskare som specialiserat sig på att komma in och ut i vattnet i naturen hade samma fråga och utforskar de specifika fysiska förhållanden som krävs för att djur ska kunna hoppa ur vattnet.
Under American Physical Society's Division of Fluid Dynamics 71:a årsmöte, som kommer att äga rum 18-20 november på Georgia World Congress Center i Atlanta, Georgien, Sunghwan Jung, docent i biologi och miljöteknik vid Cornell University, och en av hans elever, Brian Chang, kommer att presentera sitt arbete med att designa ett robotsystem inspirerat av hoppande copepoder (små kräftdjur) och grodor för att belysa en del av vätskedynamiken vid spel när vattenlevande djur hoppar.
"Vi samlade in data om vattenlevande djur i olika storlekar - från cirka 1 millimeter till tiotals meter - som hoppade ur vattnet, och kunde avslöja hur deras maximala hopphöjder är relaterade till deras kroppsstorlek, "sa Jung.
I naturen, djur rör sig ofta in och ut ur vatten för olika ändamål - inklusive rovdjur som flyr, fånga byte, eller kommunicerar. "Men eftersom vatten är 1, 000 gånger tätare än luft, att komma in eller ut ur vatten kräver mycket ansträngning, så vattenlevande djur står inför mekaniska utmaningar, "Sa Jung.
Som ett föremål - som en delfin eller en copepod - hoppar genom vatten, massa läggs till den - en kvantitet som kallas "medbringad vattenmassa". Denna medrivna vattenmassa införlivas och sveps med i flödet från vattendjurs kroppar. Gruppen upptäckte att inblandad vattenmassa är viktig eftersom den begränsar djurs maximala hopphöjd.
"Vi försöker förstå hur biologiska system smart kan lista ut och övervinna dessa utmaningar för att maximera deras prestanda, som också kan belysa tekniska system för att komma in eller ut från luft-vatten-gränssnitt, "Sa Jung.
De flesta vattenlevande djur är strömlinjeformade, begränsa inblandad vattenmassas effekt, så vatten glider lätt av deras kroppar. "Det är därför de är så bra hoppare, "sa Jung." Men när vi tillverkade och testade ett robotsystem som liknar hoppande djur, det hoppade inte lika mycket som djur. Varför? Vår robot är inte lika strömlinjeformad och bär med sig mycket vatten. Tänk dig att komma ut ur en pool med en blöt kappa - du kanske inte kan gå på grund av vattnets vikt. "
Gruppens robot har en enkel design som liknar ett dörrgångjärn med ett gummiband. Ett gummiband lindas runt ett 3D-tryckt dörrgångjärns yttre omkrets, medan en liten tråd som håller dörrgångjärnet låter den vända tillbaka när vätska trycks nedåt. "Den här roboten visar vikten av inneslutet vatten medan ett föremål hoppar upp ur vattnet, " han sa.
Nästa upp, gruppen kommer att modifiera och avancera sitt robotsystem så att det kan hoppa upp ur vattnet på högre höjder liknande dem som nås av djur som copepods eller grodor. "Detta system kan då kunna användas för övervakning nära vattenbassänger, "sa Jung.
