受鲨鱼启发的3D打印结构为下一代无人机、飞机和涡轮机铺平了道路

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2018-02-24 9:46:12

这是一只鸟!这是一架飞机!这是一条鲨鱼?

近日,来自哈佛大学的研究人员将研究方向转向了最凶猛的水下掠食者-鲨鱼,为下一代飞机、无人机、风力涡轮机和汽车的设计提供了灵感。据研究人员介绍,鲨鱼皮可以提供宝贵的见解,创造更多的空气动力学结构。

由哈佛大学进化生物学家和工程师以及南卡罗来纳大学成员组成的项目团队最近展示了3D打印鲨鱼皮的灵感结构的能力,这种结构可以帮助迎来拥有新一代更多空气动力学的飞机、无人机和其他系统。据悉,该研究结果已经发表在“皇家学会界面杂志”上。

研究结果显示,鲨鱼和飞机实际上可能不像人们想象的那样不同。(可以肯定的是,我以前从来没有想到过这两者之间的关系。)

“两者的设计都是为了有效地通过流体(水和空气),利用其身体的形状来产生升力并减少阻力。不同之处在于,鲨鱼在进化过程中大约用了4亿年的时间。”

鲨鱼皮是特别的,虽然看起来很光滑,但实际上却覆盖着数以千计的细小齿状体。George Lauder教授将其与人类牙齿比较,这些小齿根据它们在鲨鱼身上的位置而具有不同的形状和大小。

到目前为止,科学家们普遍认为,鲨鱼游动时齿状体的主要功能是减少阻力,但是现在哈佛大学的研究人员有理由相信,它们实际上可能是为了改善升力。

这个发现是通过3D打印来实现的,后者被用来重新创建一个用于各种实验的shortfin mako的小齿。研究人员说,shortfin mako是漫游在海洋中的最快的鲨鱼之一,它有一种特殊的齿状,它们的三个隆起(像三叉戟)是值得注意的。

哈佛大学研究人员使用微型CT扫描仪扫描鲨鱼的细齿,然后将三维细齿结构整合到弧形机翼结构上。这部分被称为翼型,然后进行3D打印并测试其空气动力学特性。

“机翼是所有空中设备的主要组成部分,”这项研究的第一作者、哈佛大学博士生August August Domel对此进行了详细的阐述。“我们希望在翼型上测试这些结构,以此来衡量它们对升力和阻力的影响,以用于各种空中设备(如无人机、飞机和风力涡轮机)的设计中。”

研究人员在对水流槽内部的多个版本进行了广泛的3D打印并测试后,发现齿状结构不仅减小了阻力,而且还有效地提高了升力。这个团队甚至把它们比作“大功率、低调的涡流发生器”,这种涡轮发动机被安装在大多数汽车和飞机上,并有助于改变车辆的空气流动来改善空气动力学。

Domel补充道:“与没有涡流发生器的翼型相比,这些受鲨鱼启发的涡流发生器可以实现将升阻比提高高达323%。凭借这些概念验证设计,我们已经证明,这些受生物启发的涡流发生器具有超越传统设计的潜力。”

数字证明:3D打印的鲨鱼皮很可能是飞机、无人机、汽车和涡轮机的未来。