Tiere nachzuahmen ist eine bewährte Strategie im Roboterdesign. Ein Beispiel dafür sind Haibo Dongs bahnbrechende Studien darüber, wie Flossen von Fischen sich fortbewegen, indem sie das Wasser in einem Wirbel aufwirbeln.
Es ist bekannt, dass die Schwanzflosse auf diese Weise Schub erzeugt. Was vor den jüngsten Forschungen im Labor von Professor Dong in der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of Virginia noch nie gezeigt worden war, war, wie Wirbel von anderen Flossen diesen Effekt verstärken.
Das Projekt, eine Zusammenarbeit mit Forschern der Harvard University unter der Leitung von Dong und dem UVA-Doktoranden für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik Jiacheng Guo, wurde vorgestellt in der Ausgabe Juli-August 2024 von Amerikanischer WissenschaftlerDer Artikel untersuchte eine Papier von Guo und seinen Kollegen, die letztes Jahr in Flüssigkeiten für die körperliche Untersuchung.
Ein Computermodell, das aus einem Hochgeschwindigkeits-Video einer schwimmenden Regenbogenforelle mit hoher Auflösung rekonstruiert wurde, visualisiert die Wasserbewegung mithilfe einer Strömungssimulation. Bildnachweis: Haibo Dong, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
In Harvard machte das Team um Ichthyologieprofessor George V. Lauder hochauflösende Hochgeschwindigkeitsvideos von Regenbogenforellen, die in Wassertanks mit fluoreszierenden Partikeln schwimmen. Die Partikel ermöglichen die Visualisierung der Fischkörper und der Wasserbewegung.
Anschließend entwickelte das UVA-Team unter Verwendung von Filmmaterial aus mehreren Kamerawinkeln 3D-Computermodelle und konzentrierte sich auf die Wirbel, die von der Afterflosse erzeugt werden, die sich direkt vor und unter der Schwanzflosse befindet.
Mutter Natur wusste genau, wie sie diese Flosse für eine optimale Leistung platzieren musste. Die von ihr erzeugten Turbulenzen interagieren mit dem Wirbel der Schwanzflosse und verstärken den Vortrieb des Fisches. Die Modelle des Teams zeigten, dass das Verschieben oder Ändern der Afterflosse die Schwimmleistung verringerte – eine große Energieeinsparung, wenn man zum Laichen kilometerweit flussaufwärts schwimmen muss.
Der Unterricht hat begonnen
Dong, Mitglied des interdisziplinären Forschungszentrums Link Lab der UVA, dessen Fachgebiet Fluiddynamik, Biologie und Robotik umfasst, sagte, der Artikel im American Scientist habe die Reichweite ihrer Forschung auf Forscher in diesen Bereichen erweitert. Sein Team hilft dabei, Licht auf seit langem bestehende Fragen zu werfen, beispielsweise auf die Funktionsweise verschiedener Fischflossen.
Das Forschungsteam konzentriert sich nun auf Schwarmverhalten, um mehr Licht auf die Funktionsweise von Fischflossen in Gruppensituationen zu werfen. Bildnachweis: Haibo Dong, University of Virginia School of Engineering and Applied Science
„Unsere Erkenntnisse bringen uns der Idee näher, die überlegenen Schwimmfähigkeiten der Fische in unseren Konstruktionsentwürfen nachzubilden“, sagte Dong. „Wir beobachten eine zunehmende Zahl bioinspirierter fischähnlicher Roboter, die Mehrflossendesigns für mehr Geschwindigkeit und Effizienz aufweisen.“
Aufbauend auf dieser Forschung konzentriert sich das Team nun auf das Schwarmverhalten von Fischen.
„Das Interesse auf diesem Gebiet nimmt zu und führt zu neuen und faszinierenden Fragen über die Rolle von Fischflossen in Gruppensituationen“, sagte Dong.
Das Interesse seines Teams hat zur Produktion neuer Videos geführt – weiterer lebendiger computergestützter Animationen, die sein Labor verwendet, um die verborgenen Geheimnisse der Natur zu enthüllen.
Weitere Informationen:
Jiacheng Guo et al., Wirbeldynamik und Flossen-Flossen-Interaktionen führen zu Leistungssteigerungen bei fischähnlichem Vortrieb, Flüssigkeiten für die körperliche Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.8.073101