Чешуя акул поможет создать более совершенные дроны, самолёты и ветровые турбины

Группа биологов и инженеров продемонстрировала новую структуру, вдохновлённую кожей акулы. Разработка может пригодиться при создании новых крыльев самолётов.

Иллюстрация Harvard University.

Нередко животные вдохновляют инженеров на новые разработки. На этот раз они вновь обратили своё внимание на кожу акул.

Иллюстрация Harvard University.

Изображение чешуи акул-мако, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа (А), и его параметрическая трёхмерная модель (B). Такие чешуйки расположены в широком диапазоне различных конфигураций на аэродинамическом профиле (C и D).

Иллюстрация Harvard University.

Стремясь улучшить характеристики различных устройств, учёные черпают вдохновение в природе, но на этот раз источник оказался удивительным – океан. Группа эволюционных биологов и инженеров Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Южной Каролины сообщила, что они использовали кожу акул для разработки особой структуры, которая могла бы улучшить аэродинамические характеристики самолётов, ветряных двигателей, дронов и автомобилей.

С точки зрения инженеров акулы и самолёты не так уж и различаются. Форма конструкции (организма) и тех, и других помогает эффективно передвигаться через текучую среду (воду и воздух), создавая подъёмную силу и снижая сопротивление. Разница лишь в том, что у акул есть около 400 миллионов лет преимущества в вопросах проектирования, шутят учёные. Но в целом способность акул быстро перемещаться в воде может помочь в разработке самолётов или тех же дронов нового поколения.

"Кожа акул покрыта тысячами мелких чешуек", — говорит один из авторов исследования Джордж Лаудер (George Lauder). По строению и прочности чешуя близка к зубам, что даёт повод называть её кожными зубчиками. Такие чешуйки имеют различные форму и размер в зависимости от своего местоположения на теле.

"Мы многое знаем о структуре таких чешуек, которые очень напоминают человеческие зубы, но относительно их функций ведётся много споров", — добавляет учёный.

Большинство более ранних исследований (в том числе работы группы Лаудера) фокусировалось на свойствах чешуек, позволяющих снизить сопротивление. На этот раз Лаудер и его коллеги решили изучить эту структуру с другой точки зрения на её полезные свойства.

"Мы задались вопросом, могут ли эти формы вместо уменьшения сопротивления увеличивать подъёмную силу?", — рассказывает другой автор исследования Мехди Саадат (Mehdi Saadat).

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи изучили чешуйки акулы-мако – самой быстрой акулы в мире. Чешуя мако обладает тремя выступами, похожими на трезубец (на первой иллюстрации это особенно хорошо видно).

Используя микрокомпьютерную томографию, учёные создали модель кожных зубчиков в трёхмерном пространстве, а затем при помощи 3D-принтера напечатали полученные формы на поверхности крыла с изогнутым поперечным сечением (аэродинамическим профилем).

"Аэродинамический профиль является основной составляющей всей воздушной техники. Мы хотели протестировать эти конструкции на аэродинамических профилях, чтобы измерить их влияние на подъёмную силу и сопротивление. Чтобы затем применить полученные знания в разработке различных воздушных устройств, таких как беспилотные летальные аппараты, самолёты и ветровые турбины", — говорит один из разработчиков Август Домэль (August Domel).

Изображение чешуи акул-мако, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа (А), и его параметрическая трёхмерная модель (B). Такие чешуйки расположены в широком диапазоне различных конфигураций на аэродинамическом профиле (C и D).

Специалисты протестировали 20 различных конфигураций с разными размерами чешуек, рядами и позициями рядов на аэродинамических профилях внутри резервуара с водой.

Они обнаружили, что помимо снижения сопротивления, структуры с формой чешуек как у акул значительно увеличивали подъёмную силу, действуя как мощные завихрители (пластинчатые турбулизаторы).

Даже если человек не знает, что такое завихритель, то он наверняка его видел в действии. Самолёты оснащены такими небольшими пассивными устройствами, разработанными для изменения воздушного потока над поверхностью движущегося объекта. Большинство сегодняшних завихрителей имеют простой дизайн, чем-то напоминающий лезвие.

"Такие завихрители, вдохновлённые акулами, обеспечивали улучшение аэродинамических качеств по сравнению с аэродинамическим профилем без завихрителей до 323 процентов, — говорит Домэль. – Мы продемонстрировали, что такие завихрители могут превзойти традиционные ".

"Вы можете представить, что такие завихрители используются в ветровых турбинах или беспилотных летальных аппаратах для повышения эффективности работы лопастей. Результаты открывают новые возможности для улучшения аэродинамических конструкций", — говорит другой автор исследования Катя Бертольди (Katia Bertoldi).

Результаты исследования представлены в научном издании Journal of the Royal Society Interface.