纵观历史，人类从自然界的许多方面观察并寻求灵感，以提高飞行效率、机动性和稳定性。从列奥纳多·达·芬奇时代开始，自然启发设计，也被称为仿生学或生物启发设计，在航空发展中已经并将继续发挥重要作用。
现在，宾夕法尼亚大学威茨曼设计学院的Masoud Akbarzadeh和他的前博士生Hao Zheng在《高级科学》杂志上发表的一篇论文中，从蜻蜓的翅膀中汲取灵感，以仿生学原理为基础，重新设计了波音777的翅膀。
“大自然是一位伟大的老师，它告诉我们如何优化系统，”阿克巴扎德说。“当你观察蜻蜓时，你会发现它们的翅膀经过数百万年的进化，已经变成了一种非常轻便、高效和坚固的结构。”
他解释说，他和他的团队对翅膀表面的几何形状和纹理的内部结构很感兴趣。他说，翅膀复杂的分层结构提供了力量和灵活性，使蜻蜓能够迅速产生升力和机动。
“当我们仔细观察蜻蜓翅膀上的图案时，我们意识到它包括许多凸多边形，”阿克巴扎德说。
他说:“机翼的凸面网络与我们在实验室研究开发的图形静力学方法设计的高效网络非常相似。”“我们想，‘我们能否使用基于几何的分析工具来分析这些图案，并在不同条件下为其他类型的机翼重建它们?’”
研究人员利用詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1864年提出的麦克斯韦互易图方法，分析了蜻蜓翅膀几何静脉网络的复杂性。该分析工具用于计算系统中的力平衡，在解码蜻蜓翅膀结构的物理特性方面发挥了重要作用。
阿克巴扎德说:“连接的组成部分或成员的厚度与该网络的平面内平衡之间存在相关性。”“简单来说，这就像蜻蜓的血管网络，从四面拉它，发现整体结构作为一个拉伸网络完美地工作，至少在二维平面上是这样。”
“这是令人震惊的，”他说，“因为机翼是为与拍打运动相关的弯曲行为而设计的，而不是一个只拉伸或只压缩的网络。”
这一发现使研究人员能够研究由翅膀的结构模式模仿的翅膀结构的行为。“最终，我们证明了这种方法可以产生更有效的机翼结构，以防止面外弯曲，”Akbarzadeh说。
该团队将机翼的几何形状划分为内部血管网络和外缘。有了这些，他们就能绘制出蜻蜓翅膀的内部结构是如何受到其他成分的影响的。
Akbarzadeh说:“我们使用蜻蜓翅膀的形状和受力图作为训练数据集来开发我们的机器学习模型，该模型可以生成紧密反映翅膀实际几何形状的结构网络。”
这一发现为训练他们的机器学习算法提供了宝贵的数据。
“想象一下，按照蜻蜓翅膀的原理设计飞机机翼，”阿克巴扎德说。“通过这样做，我们有可能制造出更轻、更高效的飞机，使用更少的材料，从而节省大量燃料和成本，更不用说大幅减少航空的环境足迹了。”
团队成员将他们的发现应用到现实场景中，将蜻蜓灵感的设计以1:120的比例结合到波音777机翼的二维挤压机身中，并观察到机翼结构效率的显着改善。
蜻蜓式的设计将面外刚度提高了惊人的25%，这表明了更轻、更高效的机翼设计的潜力。
阿克巴扎德说:“这不仅证实了这项研究的实用性，而且为航空业的未来提供了诱人的一瞥。”
展望未来，该团队计划更深入地挖掘蜻蜓翅膀的3D结构，希望能发现更多的设计灵感。他们还期望改进他们的机器学习模型，增强其预测能力，并提高人工结构重建的准确性。
阿克巴扎德说:“这项研究聚焦于自然启发设计的未开发潜力。”“通过机器学习、结构生物学和工程学的协同融合，一个新的前沿正在出现，一个有望在各种工程学科之间掀起创新浪潮的前沿。”
“当我们继续窥探自然界复杂的结构以寻求灵感时，谁知道我们还能解开什么秘密呢?”从蜻蜓到其他有翼动物，我们的发现之旅才刚刚开始。”
更多信息:Hao Zheng等，基于机器学习和Maxwell互反图的蜻蜓启发机翼设计，Advanced Science(2023)。DOI: 10.1002 / advs.202370111期刊信息:Advanced Science
宾夕法尼亚大学提供
引用:使用龙
为了重新设计一架更轻的波音777
更可持续(2023,7月19日)2023年7月20日检索自https://techxplore.com/news/2023-07-dragonfly-wings-redesign-boeing-lighter.html本文档
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