正在进行的工作旨在开发一种软海星能够实时变形以适应水流。图片/标记赫尔墨斯。
如果你看过的话地球你知道海洋是一个野性的地方。水中充满了不同的生态系统和生物，从博学的章鱼到海星，它们的复杂性各不相同。出人意料的是，正是海星这种具有分散神经系统的简单生物，提供了对水动力(由水流产生的力)的高级适应的见解。
南加州大学维特比工程学院的研究人员发现，海bob国际首页登录星的身体形状使它们能够在极端水动力载荷下有效地附着在表面上。研究人员，包括航空航天和机械工程Henry Salvatori早期职业主席Mitul Luhar和博士生Mark Hermes，发现海星因其形状而产生“下压力”。这意味着海星不是被水流力抬升，而是被向下推到它们所在的表面。这项研究发表在科学报告．
南加州大学维特比分校的助理教授卢哈尔说，海星具有令人难以置信的适应性bob国际首页登录航空航天与机械工程系“，．“当暴露在高波浪活动和水力下时，海星会变得更瘦，更低调。当海星被运送到水动力较低的庇护环境时，它们的横截面就会变大。”
Luhar说，了解这种形状的变化可以帮助设计出能够同样适应极端水动力环境的水下机器人。
形状和力的相互作用
研究人员通过计算和3d打印模型测试了对海星形状的理解及其对水中力的影响。“我们马上注意到，”Luhar说，“海星不是被拉离它们所在的表面，而是被向下推——这仅仅是因为它们的形状。”
Luhar说，研究人员认为，这种下压力效应是海星——以及未来的水下机器人——即使在最极端的条件下，也能附着在海床或岩石上，而不是被举起来离开它的关键。
一个海星模型和一个球形穹顶的测量流场。海星模型周围气流的向上转向产生了下压力。图片/标记赫尔墨斯。
研究人员也测试了其他形状。卢哈说，如果是锥形或圆顶，水流就会很好地沿着形状的轮廓向上流动，然后向下流动(见上图)。当流体最终向下流动时，会产生一个相等且相反的力，从而产生整体提升效果。海星的形状——类似于三角形的楔形——水向上流动，两边的角度就像一个斜坡，把水从它的表面推开。
Luhar说:“当海星推开水流时，水流会产生一个大小相等、方向相反的力，把海星压下去。”“圆锥体或球体不会产生同样的‘斜坡效应’，因此不会产生类似的下压力。”
为了获得对力场的完整三维理解，Luhar说他们使用计算模型来进一步阐明他们所看到的3d打印形状。卢哈尔说，在他们考虑的形状中，球形穹顶在升力和下压力方面表现最差，这意味着，它在附着在底部表面或地面方面表现最差。
柔软的机器人
下一步是研究一种可以实时变形的软结构，Luhar说。Hermes目前正在开发这种结构。Luhar说，设计的关键是让它在水道中做出反应，从而使它能够根据需要调整形状，以保持粘附在岩石或海床上，或者允许它随着水流而上升。
“假设水改变了速度，”卢哈尔说。“我们可以确定哪种形状是最好的，机器人可以相应地改变它的形状。”
Luhar说，最终的想法是了解如何开发一个机器人，它将与水流一起工作，而不是在水流中战斗。
Luhar说:“如果我们能充分利用周围环境，而不是与之对抗，我们就能提高效率和性能。”
这项工作是由美国海军研究办公室．
出版于2021年2月25日
最后更新于2021年3月2日
