跳出水面的水生动物激发了跳跃机器人

曾经看过水生动物跳出水面,想知道他们是如何以如此流线型和优雅的方式做到的?一群专门研究自然界水进出的研究人员有同样的问题,正在探索动物成功跳出水所需的特定物理条件。

美国物理学会流体动力学第71届年会将于11月18日至20日在佐治亚州亚特兰大乔治亚世界会议中心举行,康奈尔大学生物与环境工程副教授Sunghwan Jung将参加他的学生Brian Chang将展示他们的工作,设计一个机器人系统,灵感来自跳跃的桡足类(小甲壳类动物)和青蛙,以照亮水生动物跳跃时游戏中的一些流体动力学。

“我们收集了不同大小的水生动物的数据 - 从大约1毫米到数十米 - 跳出水面,并且能够揭示它们的最大跳跃高度与它们的体型有关,”荣格说。

在自然界中,动物经常为了各种目的而进出水 - 包括逃避捕食者,捕捉猎物或进行交流。“但由于水比空气密度高1000倍,进入或离开水需要付出很多努力,因此水生动物面临机械挑战,”荣格说。

作为一个物体 - 像海豚或桡足类 - 跳过水,质量被添加到它 - 一个被称为“夹带水团”的数量。这种夹带的水团被结合并在流出水生动物身体的过程中被扫过。该小组发现夹带水团很重要,因为它限制了动物的最大跳跃高度。

“我们正在努力了解生物系统如何能够巧妙地找出并克服这些挑战,以最大限度地提高其性能,这也可能为工程系统进入或退出空气 - 水界面提供了依据,”Jung说。

大多数水生动物都是流线型的,限制了夹带水团的效果,因此水很容易从身体上滑落。“这就是为什么他们是如此优秀的跳投,”荣格说。“但是当我们制造和测试类似于跳跃动物的机器人系统时,它并没有像动物一样跳跃。为什么?我们的机器人不像流线型那样带着大量的水。想象一下走出游泳池穿着湿衣服 - 由于水的重量,你可能无法行走。“

该组的机器人具有简单的设计,类似于带有橡皮筋的门铰链。橡皮筋缠绕在3D打印的门铰链的外周边上,而固定门铰链的细线允许它在向下推动流体时向后翻转。“这个机器人显示了当物体跳出水面时夹带水的重要性,”他说。

接下来,该小组将修改和推进他们的机器人系统,使其能够以更高的高度跳出水面,类似于桡足动物或青蛙等动物所达到的高度。“这个系统可能可以用于水盆附近的监视,”荣格说。