Исследователи из американской Школы дизайна Вайцмана обнаружили, что крылья стрекоз могут помочь разработать более легкие, прочные и «экологичные» крылья для самолетов. Основываясь на принципах биомимикрии (копирование эволюционных стратегий природы для решения своих задач), доктор философии Масуд Акбарзаде и его студент Хао Чжен изучили, как на основе дизайна крыльев насекомых разработать инновационное крыло Boeing 777.
Техническое вдохновение из природы
Как утверждает господин Акбарзаде, природа — великий учитель, который показывает нам, как оптимизировать системы. У стрекозы есть крылья, которые эволюционировали на протяжении миллионов лет в невероятно легкую, эффективную и прочную структуру.
Заинтересовавшись формой и составом крыльев этого существа, исследователи обнаружили, что жилки придают крыльям прочность и гибкость. Благодаря этому стрекозы могут летать ловко и быстро. Также, как отмечает господин Акбарзаде, при внимательном рассмотрении узоров на крыльях насекомого оказалось, что они содержат множество выпуклых многоугольников.
Исследователь добавляет, что выпуклая сеть крыла очень похожа на эффективные сети, которые они разрабатывают с помощью метода графической статики и исследуют в лаборатории. Поэтому он с коллегами заинтересовался, можно ли использовать существующие инструменты анализа на основе геометрии, чтобы проанализировать эти узоры и воспроизвести их в других условиях для других типов крыльев.
Эволюция насекомого вдохновляет на инновационные технические решения
Исследование основывалось на применении искусственного интеллекта. В качестве основы для разработки внутренней структуры крыльев самолета был взят двумерный скелет крыла стрекозы.
Выяснилось, что существует корреляция между толщиной соединенных составных компонентов или элементов и равновесием этой сети в плоскости. Проще говоря, это все равно что взять сосудистую сеть стрекозы, потянуть ее со всех сторон и обнаружить, что общая структура идеально работает как растянутая сеть, по крайней мере в плоскости 2D.
По словам господина Акбарзаде, это было потрясающее открытие. Потому что крыло разработано для поведения сгибания, связанного с маховыми движениями, а не для сети только на натяжение или сжатие.
Исследователи изучали поведение конструкции крыла, имитируя его структурный рисунок. Как отмечает господин Акбарзаде, в конечном итоге они показали, что этот подход может привести к более эффективным структурам крыльев против изгиба вне плоскости.
От крыла стрекозы до крыла Boeing
Команда исследователей использовала свои открытия в практических ситуациях. Ученые интегрировали свои проекты, появлению которых способствовало вдохновение от стрекоз, в 2D экструзированный планер крыла Boeing 777 в масштабе 1:120. Команда наблюдала значительное повышение эффективности конструкции крыла.
Многочисленные испытания свидетельствуют о том, что модель, созданная по аналогии с конструкцией крыла стрекозы, улучшила жесткость вне плоскости до 25%. Этот результат указывает на возможность разработки более легких и эффективных вариаций крыльев самолетов.
Как отмечает издание Interestingengineering, команда господина Акбарзаде намерена глубже погрузиться в 3D-конфигурацию крыла стрекозы, чтобы найти дополнительные дизайнерские идеи. Кроме того, исследователи ожидают улучшить свой алгоритм машинного обучения, повысив его возможности прогнозирования и точность репликации искусственной конструкции.
Фото: pixabay.com
