La structure de sillage laissée par un dauphin nageur produite à l'aide d'un cadre numérique interne de méthode d'élément de frontière rapide. C'est une vue de haut en bas de la structure du sillage. Le résultat a été produit par Fatma Ayancik, un doctorant à l'Université Lehigh, et cela fait partie de ses résultats examinant la performance propulsive des dauphins et des baleines. L'objectif est de découvrir la science derrière la production de la prochaine génération de systèmes sous-marins sans pilote bio-inspirés. Ce travail est financé par l'Office of Naval Research (ONR) dans le cadre d'un programme d'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI). En tant que tel, il s'agit d'un projet collaboratif avec l'Université de Virginie, Université de West Chester, Université de Princeton et Université de Harvard. Crédit :Christa Neu, Communications + Affaires publiques de l'Université Lehigh
Il est facile de spéculer sur les raisons pour lesquelles les poissons pourraient nager en bancs :une meilleure protection contre les prédateurs, capacité de recherche de nourriture améliorée, communication plus facile de poisson à poisson. Encore, aucun de ceux-ci ne révèle pourquoi les poissons peuvent se déplacer ensemble selon un schéma spécifique.
La recherche sur l'énergétique des bancs de poissons offre des données contre-intuitives :les modèles de groupe ne maximisent pas nécessairement la consommation d'énergie.
Alors pourquoi le font-ils ? Maître de conférences en génie mécanique et mécanique, Keith amarré, croit que les forces médiées par les fluides sont à l'œuvre. En réalité, ses recherches antérieures ont souligné sa probabilité.
"La formation 3-D créée par un groupe de poissons s'apparente à des atomes attirés par des forces dans une structure en treillis, " dit Amarré.
Acquérir une compréhension globale de ces interactions collectives pourrait aider les scientifiques à déterminer à quel point les réseaux biologiques sont fragiles face à la surpêche, perte d'habitat et changement climatique. Elle pourrait aussi ouvrir la porte au développement d'écoles de technologies bio-inspirées.
Actuellement, des véhicules sous-marins sans pilote sont utilisés pour aider à la pêche commerciale, pour le prélèvement d'échantillons d'eau, dans les opérations de recherche et de sauvetage et à des fins militaires.
À l'avenir, dit Amarré, au lieu d'un seul, il est probable qu'un groupe d'appareils soit envoyé sous l'eau pour effectuer un ensemble de tâches car cette approche collective est beaucoup plus efficace. Mais il y a des obstacles.
"La clé pour faire une percée dans la conception de collectifs performants de dispositifs bio-inspirés est de comprendre la mécanique des fluides fondamentale des interactions collectives, ", dit Moored. "Mais pour le moment, nous n'avons pas une compréhension approfondie de la dynamique des fluides entre les poissons dans les bancs."
Moored a reçu un prix de carrière de la National Science Foundation (NSF) pour explorer ce domaine de recherche prometteur. Il utilisera les fonds pour mieux comprendre les mécanismes d'écoulement qui se produisent parmi les instables (dus aux ailettes oscillantes), corps tridimensionnels en interaction dans des arrangements complexes.
A terme ses travaux pourraient répondre à la question :que peuvent emprunter les scientifiques à la nature pour réaliser des équipes de véhicules aquatiques aussi optimisées pour les déplacements sous-marins que des poissons nageant en banc ?
Transformer notre compréhension de l'école
L'un des premiers objectifs de Moored est de caractériser les forces, énergétique et physique des flux de la locomotion collective pour divers aménagements typiques de la locomotion animale.
Avec une vaste expérience dans le développement d'installations d'essais dynamiques des fluides, il utilisera une soufflerie à basse vitesse et deux ailes de tangage, des modèles d'ailes pouvant imiter les oscillations de la queue d'un poisson. Les ailes seront disposées dans diverses configurations et soumises à un certain nombre de conditions d'écoulement.
Moored caractérisera les champs d'écoulement entre les ailes de tangage en interaction à l'aide d'un système de vélocimétrie à image de particules stéréoscopique conçu pour obtenir des mesures de vitesse instantanées et des propriétés associées dans les fluides. Il utilisera également un capteur de force et de couple à six axes qui peut prendre six mesures simultanées.
"Essentiellement, mon équipe et moi allons attacher le capteur au modèle d'aile de tangage et il détectera toutes les forces agissant sur l'aile, y compris la poussée et la traînée, " dit Amarré.
Ces études de quantification constitueront la première fois de telles mesures détaillées des forces, l'énergétique et les champs d'écoulement de corps en interaction produisant une poussée tridimensionnelle dans des arrangements aussi complexes ont été assemblés.
Percer un mystère structurel
En utilisant les mêmes expériences, Moored examinera également son hypothèse selon laquelle les arrangements en forme de treillis observés dans les arrangements scolaires dans la nature peuvent être dus à des forces à médiation fluide.
Dans des travaux déjà publiés, Moored a montré qu'une distance d'équilibre stable - un état dans lequel un corps a tendance à revenir à sa position d'origine après avoir été dérangé - existe entre deux modèles d'ailes de tangage en interaction côte à côte. Il a constaté que l'équilibre était stable pour les perturbations du débit d'air ou d'eau dans la direction transversale du cours d'eau.
"Si un nageur s'éloignait de l'autre, une force médiée par un fluide les ramènerait ensemble et vice versa, " dit Amarré.
En sondant les variations de position, il déterminera si l'emplacement qu'il a précédemment identifié ou d'autres du même genre sont vraiment des équilibres stables en trois dimensions.
Une telle carte de force pourrait transformer la compréhension des scientifiques du comportement de scolarisation - une étape importante vers une compréhension plus complète des comportements de groupe en biologie et un développement majeur dans la conception de véhicules sous-marins inspirés par la nature.
