Väckningsstrukturen efterlämnad av en simmande delfin producerad med hjälp av ett internt snabbt gränselementmetod numeriskt ramverk. Det är en vy uppifrån och ned av vakningsstrukturen. Resultatet togs fram av Fatma Ayancik, doktorand vid Lehigh University, och det är en del av hennes resultat som undersöker delfiner och valars framdrivning. Målet är att upptäcka vetenskapen bakom att producera nästa generations obemannade undervattenssystem som är bioinspirerade. Detta arbete finansieras genom Office of Naval Research (ONR) på ett multidisciplinärt universitetsforskningsinitiativ (MURI) -program. Som sådan, detta är ett samarbetsprojekt med University of Virginia, West Chester University, Princeton University och Harvard University. Upphovsman:Christa Neu, Lehigh University Communications + Public Affairs
Det är lätt att spekulera i varför fisk kan simma i skolan - bättre skydd mot rovdjur, förbättrad foderförmåga, enklare fisk-till-fisk-kommunikation. Än, ingen av dessa avslöjar varför fisk kan röra sig tillsammans i ett specifikt mönster.
Forskning om fiskskolornas energi erbjuder kontraintuitiv data-gruppmönstren maximerar inte nödvändigtvis energianvändningen.
Varför gör de det då? Docent i maskinteknik och mekanik, Keith Moored, tror att vätskeförmedlade krafter arbetar. Faktiskt, hans tidigare forskning har pekat på sannolikheten.
"3D-formationen som skapas av en grupp fiskar liknar atomer som dras av krafter in i en gitterstruktur, säger Moored.
Att få en omfattande förståelse för dessa kollektiva interaktioner kan hjälpa forskare att avgöra hur sköra biologiska nätverk är för överfiske, förlust av livsmiljö och ett förändrat klimat. Det kan också öppna dörren till utvecklingen av skolor för bioinspirerad teknik.
För närvarande, obemannade undervattensfordon används för att hjälpa till med kommersiellt fiske, för vattenprovtagning, i sök- och räddningsoperationer och för militära ändamål.
I framtiden, säger Moored, istället för bara en, det är troligt att en grupp enheter kommer att skickas under vattnet för att utföra en uppsättning uppgifter eftersom detta kollektiva tillvägagångssätt är mycket mer effektivt. Men det finns hinder.
"Nyckeln till att göra ett genombrott i utformningen av högpresterande kollektiv av bioinspirerade enheter är att förstå den grundläggande vätskemekaniken i kollektiva interaktioner, "säger Moored." Men just nu har vi ingen grundlig förståelse av vätskedynamiken mellan fiskar i skolor. "
Moored har fått ett National Science Foundation (NSF) Career Award för att utforska detta lovande undersökningsområde. Han kommer att använda medlen för att få en bättre förståelse för flödesmekanismer som uppstår bland ostadiga (på grund av oscillerande fenor), tredimensionella samverkande kroppar i komplexa arrangemang.
I slutändan kan hans arbete svara på frågan:vad kan forskare låna av naturen för att uppnå lag av vattenbilar som är optimerade för undervattensrörelse som fisk som simmar i en skola?
Förvandla vår förståelse för skolgång
Ett av Mooreds första mål är att karakterisera krafterna, energi och flödesfysik för kollektiv rörelse för olika arrangemang som är typiska för djurrörelse.
Med lång erfarenhet av att utveckla flytande dynamiska testanläggningar, han kommer att använda en vindhastighetstunnel med låg hastighet och två vingar-vingmodeller som kan efterlikna svansoscillationerna hos en fisk. Vingarna kommer att arrangeras i olika konfigurationer och utsättas för ett antal flödesförhållanden.
Förtöjd kommer att karakterisera flödesfälten mellan interagerande stigande vingar med hjälp av ett stereoskopiskt partikelbildhastighetssystem som är utformat för att erhålla momentana hastighetsmätningar och relaterade egenskaper i vätskor. Han kommer också att använda en sexaxlig kraft- och vridmomentssensor som kan ta sex samtidiga mätningar.
"Väsentligen, mitt lag och jag kommer att fästa sensorn på pitching wing -modellen och den kommer att känna alla krafter som verkar på vingen, inklusive dragkraft och drag, säger Moored.
Dessa kvantifieringsstudier kommer att utgöra första gången sådana detaljerade mätningar av krafterna, energi och flödesfält hos tredimensionella dragproducerande interagerande kroppar i sådana komplexa arrangemang har samlats.
Låser upp ett strukturellt mysterium
Med samma experiment, Moored kommer också att undersöka hans hypotes om att de gitterliknande arrangemang som ses i skolanordningar i naturen kan bero på vätskemedierade krafter.
I tidigare publicerade verk, Moored har visat att ett stabilt jämviktsavstånd-ett tillstånd där en kropp tenderar att återgå till sitt ursprungliga läge efter att ha störts-existerar mellan två interagerande pitching wing-modeller i ett sida vid sida-arrangemang. Han fann att jämvikten var stabil för luft- eller vattenflödesstörningar i tvärströmmens riktning.
"Om en simmare flyttade bort från den andra skulle en vätskeförmedlad kraft dra ihop dem igen och vice versa, säger Moored.
Genom att undersöka variationer av position kommer han att avgöra om platsen han tidigare identifierat eller andra liknande är verkligen stabil jämvikt i tre dimensioner.
En sådan kraftkarta skulle kunna förändra forskarnas förståelse av skolbeteende - ett viktigt steg mot en mer fullständig förståelse för gruppbeteenden inom biologi och en stor utveckling inom undervattensfordon som är inspirerad av naturen.
