Углубления на мяче для гольфа преодолевают сопротивление давлению - силу сопротивления, с которой сталкивается предмет при движении в жидкости, - продвигая мяч в среднем на 30% дальше, чем гладкий мяч. Вдохновившись этим, исследовательская группа разработала сферический прототип с регулируемыми углублениями на поверхности и протестировала его аэродинамику в управляемой аэродинамической трубе.

"Динамически программируемая внешняя обшивка подводного аппарата могла бы значительно снизить лобовое сопротивление, одновременно устраняя необходимость в выступающих приспособлениях, таких как плавники или рули направления для маневрирования. Активно регулируя текстуру своей поверхности, транспортное средство могло бы достичь точной маневренности с повышенной эффективностью и управляемостью", - сказал Анчал Сарин, доцент кафедры военно-морской архитектуры, морской инженерии и машиностроения Калифорнийского университета и автор-корреспондент двух исследований, опубликованных в журнале Flow and The Physics of Fluids.

Эти маневренные транспортные средства могли бы получать доступ к обычно труднодоступным районам океана при проведении наблюдений, нанесении на карту новых районов или сборе данных о состоянии воды.

Сарин и ее коллеги создали прототип, натянув тонкий слой латекса на полую сферу, усеянную отверстиями, напоминающую маринованный шарик. Вакуумный насос сбрасывает давление в сердцевине, втягивая латекс внутрь для создания точных углублений при включении. При выключении насоса сфера снова становится гладкой.

Чтобы выяснить, как углубления влияют на лобовое сопротивление, сферу испытали в аэродинамической трубе длиной 3 метра, подвесив на тонком стержне и подвергнув воздействию различных скоростей ветра.

Для каждого условия потока глубину углубления можно точно регулировать, изменяя мощность вакуумного насоса. Сопротивление измерялось с помощью тензодатчика - датчика, который определяет силу, оказываемую воздушным потоком на объект. В то же время аэрозоль распылялся в аэродинамической трубе, в то время как высокоскоростной лазер и камера фиксировали движение крошечных частиц, когда они обтекали сферу.

При высоких скоростях ветра более мелкие углубления более эффективно снижали лобовое сопротивление, в то время как более глубокие углубления были более эффективны при более низких скоростях ветра. Регулируя глубину углубления, сфера уменьшила лобовое сопротивление на 50% по сравнению с гладким аналогом для любых условий.

"Адаптивная настройка обшивки способна замечать изменения скорости поступающего воздуха и соответствующим образом регулировать углубления для поддержания снижения лобового сопротивления. Применение этой концепции к подводным аппаратам позволило бы снизить как лобовое сопротивление, так и расход топлива", - сказал Родриго Вилумбралес-Гарсия, научный сотрудник кафедры военно-морской архитектуры и морской инженерии U-M и соавтор исследования.

Интеллектуальная трансформируемая сфера также может генерировать подъемную силу, обеспечивая контролируемое перемещение. Часто рассматриваемая как восходящая сила, ответственная за удержание самолетов в воздухе, подъемная сила может действовать в любом направлении, пока она перпендикулярна направлению потока.

Чтобы достичь этого, исследователи спроектировали внутренний каркас с отверстиями только с одной стороны, в результате чего при активации у сферы появилась одна гладкая сторона и одна с ямочками.

Это создавало асимметричное разделение потока с двух сторон сферы, отклоняя след в сторону гладкой стороны. Согласно третьему закону Ньютона, жидкость прикладывает равную и противоположную силу к шероховатой стороне, эффективно толкая сферу в направлении углублений. Углубления справа создают усилие вправо, в то время как углубления слева толкают влево. Это обеспечивает точное рулевое управление за счет выборочной активации углублений на нужной стороне.

Команда протестировала новую сферу в той же аэродинамической трубе с различной скоростью ветра и глубиной углубления. При оптимальной глубине углубления наполовину шероховатая/наполовину гладкая сфера создавала подъемную силу, составляющую до 80% от силы лобового сопротивления. Эффект подъема был таким же сильным, как и эффект Магнуса, но вместо использования вращения он был создан полностью путем изменения текстуры поверхности.

"Я был удивлен, что такой простой подход может дать результаты, сравнимые с эффектом Магнуса, который требует непрерывного вращения", - сказал Путу Брахманда Сударшана, аспирант U-M в области машиностроения и соавтор исследования.

"В долгосрочной перспективе это могло бы принести пользу, например, компактным сферическим роботизированным подводным лодкам, которые при разведке и осмотре отдают предпочтение маневренности, а не скорости. Как правило, для этих подводных лодок требуется несколько двигательных установок, но этот механизм мог бы помочь уменьшить эту потребность".

Заглядывая в будущее, Сарин ожидает сотрудничества, сочетающего опыт в области материаловедения и мягкой робототехники, что еще больше расширит возможности этой динамичной технологии обработки кожи.

"Эта технология smart dynamic skin может изменить правила игры для беспилотных летательных аппаратов и подводных аппаратов, предлагая легкую, энергоэффективную и высокочувствительную альтернативу традиционным шарнирным поверхностям управления", - сказала она. "Обеспечивая адаптацию в режиме реального времени к изменяющимся условиям потока, это нововведение обещает повысить маневренность, оптимизировать производительность и открыть новые возможности для проектирования транспортных средств".