Se você já assistiu ao planeta Terra, sabe que o oceano é um lugar selvagem para se viver. A água está repleta de diferentes ecossistemas e organismos que variam em complexidade de um polvo erudito a uma estrela do mar. Inesperadamente, é a estrela do mar, um organismo simples caracterizado por um sistema nervoso descentralizado, que oferece insights sobre a adaptação avançada às forças hidrodinâmicas – as forças criadas pela pressão e fluxo da água.
Pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi descobriram que estrelas do mar efetivamente permanecem presas a superfícies sob cargas hidrodinâmicas extremas, alterando sua forma. Os pesquisadores, incluindo o Henry Salvatori Early Career Chair em Engenharia Aeroespacial e Mecânica Mitul Luhar e o estudante de doutorado Mark Hermes, descobriram que as estrelas do mar criam uma “força descendente” devido à sua forma. Isso significa que, em vez de serem levantadas pelas forças do fluxo, as estrelas do mar são empurradas para baixo em direção à rocha ou superfície do solo em que estão.
As estrelas do mar são incrivelmente adaptáveis, disse Luhar, professor assistente do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da USC Viterbi. “Quando há alta atividade das ondas e altas forças da água, as estrelas do mar ficam mais finas e assumem um perfil mais baixo. Quando as estrelas do mar são transportadas para um ambiente protegido com forças hidrodinâmicas mais baixas, elas aparecem um pouco e suas seções transversais ficam maiores . ”
Entender essa mudança de forma pode ajudar a projetar robôs subaquáticos que podem se adaptar a ambientes hidrodinâmicos extremos, disse Luhar.
Interação entre forma e força
Os pesquisadores testaram essa compreensão da forma da estrela do mar e seu impacto na força na água com modelos computacionais e impressos em 3D. “O que percebemos imediatamente”, disse Luhar, “é que, em vez de as estrelas do mar serem puxadas das superfícies em que estavam, elas estavam sendo empurradas para baixo – simplesmente por causa de sua forma.”
Luhar disse que os pesquisadores viram esse efeito de força descendente como a chave de como a estrela do mar – e no futuro, um robô subaquático – poderia ficar presa a um leito marinho ou rocha em vez de ser levantada para longe dela, mesmo nos casos mais extremos condições.
Os pesquisadores também testaram outras formas. Com um cone ou uma cúpula, disse Luhar, a água flui para cima e para baixo, seguindo os contornos da forma razoavelmente bem (ver fig …) Com o fluxo finalmente empurrando para baixo, uma força igual e oposta é criada, resultando em um efeito de levantamento geral. Com o formato de estrela do mar – que é semelhante a uma cunha triangular – a água flui para cima, com os ângulos de cada lado atuando como uma rampa que empurra a água para longe de sua superfície.
“À medida que a estrela do mar empurra o fluxo para longe, o fluxo cria uma força igual e oposta que empurra a estrela do mar para baixo”, disse Luhar. “Um cone ou esfera não cria o mesmo ‘efeito de rampa’ e, portanto, não cria uma força descendente semelhante.”
Para obter uma compreensão tridimensional completa de como são os campos de força, Luhar disse que eles usam os modelos computacionais para iluminar ainda mais o que testemunharam com as formas impressas em 3-D. Das formas que eles consideraram, Luhar disse que a cúpula esférica teve o pior desempenho em termos de sustentação versus força descendente, ou seja, teve o pior desempenho em permanecer presa à superfície inferior ou ao solo.
Robótica Suave
O próximo passo é estudar uma estrutura flexível que pode se transformar em tempo real, disse Luhar. A Hermes está trabalhando no desenvolvimento dessa estrutura atualmente. A chave para o seu design é permitir que ele seja responsivo no canal de água, disse Luhar, dando-lhe a capacidade de adaptar sua forma conforme necessário para ficar aderente a uma rocha ou fundo do mar, ou alternativamente, para permitir que se levante com o fluxo de água.
“Digamos que a velocidade da água muda”, disse Luhar. “Podemos determinar qual seria a melhor forma e o robô poderia mudar sua forma de acordo.”
Em última análise, disse Luhar, a ideia é entender como desenvolver um robô que funcione com o fluxo, em vez de lutar por ele.
“Se pudermos tirar vantagem do ambiente ao redor em vez de combatê-lo, também podemos criar mais eficiência e ganhos de desempenho”, disse Luhar.
Publicado em 27/02/2021 21h52
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