För att bygga fler aerodynamiska maskiner, forskare hämtar inspiration från en osannolik källa:havet.

Ett team av evolutionära biologer och ingenjörer vid Harvard University, i samarbete med kollegor från University of South Carolina, har belyst ett decennier gammalt mysterium om hajskinn och, i processen, visat en ny, bioinspirerad struktur som kan förbättra flygplanets aerodynamiska prestanda, vindturbiner, drönare och bilar.

Forskningen publiceras i Journal of the Royal Society Interface .

Hajar och flygplan är faktiskt inte så olika. Båda är utformade för att effektivt röra sig genom vätska (vatten och luft), med hjälp av kroppens form för att generera lyft och minska drag. Skillnaden är, hajar har cirka 400 miljoner års början på designprocessen.

"Hajhuden täcks av tusentals och tusentals små vågar, eller dentiklar, som varierar i form och storlek runt kroppen, "sa George Lauder, Henry Bryant Bigelow professor i Iktyologi och professor i biologi vid Institutionen för organism och evolutionär biologi, och medförfattare till forskningen. "Vi vet mycket om strukturen hos dessa dentiklar - som mycket liknar mänskliga tänder - men funktionen har diskuterats."

Mest forskning har fokuserat på dragreducerande egenskaper hos denticles men Lauder och hans team undrade om det fanns mer i historien.

"Vi frågade, tänk om istället för att i huvudsak minska drag, dessa speciella former var faktiskt bättre lämpade för att öka lyftet, "sa Mehdi Saadat, en postdoktor vid Harvard och medförfattare till studien. Saadat har ett gemensamt möte i maskinteknik vid University of South Carolina.

För att testa den hypotesen, forskarna samarbetade med ett team av ingenjörer från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). För inspiration, de vände sig till shortfin mako, den snabbaste hajen i världen. Makos denticles har tre upphöjda åsar, som en trefaldig. Med hjälp av mikro-CT-skanning, laget avbildade och modellerade dentiklarna i tre dimensioner. Nästa, de tryckt 3-D formerna på ytan av en vinge med ett böjt aerodynamiskt tvärsnitt, känd som en flygplatta.

"Airfoils är en huvudkomponent i alla antenn, "sa August Domel, en doktorsexamen student vid Harvard och medförfattare till tidningen. "Vi ville testa dessa strukturer på flygplan som ett sätt att mäta deras effekt på lyft och drag för applikationer vid utformning av olika antenn, såsom drönare, flygplan, och vindkraftverk. "

Forskarna testade 20 olika konfigurationer av dentikelstorlekar, rader och radlägen på flygplan inuti en vattenflödestank. De fann att förutom att minska drag, de dentikelformade strukturerna ökade lyftet avsevärt, fungerar som kraftfull, lågprofilade virvelgeneratorer.

Även om du inte vet vad en virvelgenerator är, du har sett en i aktion. Bilar och flygplan är utrustade med dessa små, passiva enheter utformade för att förändra luftflödet över ytan på ett rörligt föremål för att göra det mer aerodynamiskt. De flesta virvelgeneratorer på området idag har en enkel, bladliknande design.

"Dessa hajinspirerade virvelgeneratorer uppnår förbättringar av lyft-till-drag-förhållande på upp till 323 procent jämfört med en flygplan utan virvelgeneratorer, "sa Domel." Med dessa bevis på konceptdesigner, Vi har visat att dessa bioinspirerade virvelgeneratorer har potential att överträffa traditionella mönster. "

"Du kan tänka dig att dessa virvelgeneratorer används på vindkraftverk eller drönare för att öka bladens effektivitet, "sa Katia Bertoldi, William och Ami Kuan Danoff Professor i tillämpad mekanik vid SEAS och medförfattare till studien. "Resultaten öppnar nya vägar för förbättrade, bioinspirerade aerodynamiska mönster. "

"Denna forskning beskriver inte bara en ny form för virvelgeneratorer utan ger också inblick i rollen som komplexa och potentiellt multifunktionella hajdentiklar, sa Lauder.