ساخت هواپیما‌های سبک و قدرتمند با الهام از بال سنجاقک

مسعود اکبرزاده از دانشکده طراحی وایتزمن رهبری یک گروه چند رشته ای از طراحان معماری، مهندسان سازه، دانشمندان علوم رایانه و ... را در آزمایشگاه سازه های چند وجهی خود بر عهده دارد.

به گزارش تین نیوز به نقل از آنا، این پژوهشگر، تلاش می کند با بهره مندی از هندسه های چندوجهی که اغلب در طبیعت وجود دارد ساختار های قوی تر و سبک تری بسازد که به مواد اولیه کمتری نیز نیاز دارند.

در طول تاریخ، انسان، با مشاهده بسیاری از جنبه های طبیعت، به دنبال الهام گرفتن از آنها بوده تا کارایی پرواز، مانورپذیری و ثبات را بهبود بخشد.

از زمان لئوناردو داوینچی طراحی الهام گرفته از طبیعت که بیومیمیک یا زیست-الهام خوانده می شود، نقش مهمی در توسعه هوانوردی داشته و دارد.

اکبرزاده می گوید: طبیعت معلم بزرگی است که به ما چگونگی بهینه سازی سیستم ها را می آموزد. وقتی به سنجاقک نگاه می کنید، بال هایی را می بینید که طی میلیون ها سال به ساختاری فوق العاده سبک، کارآمد و قوی تکامل یافته اند.

وی با اشاره به علاقمندی خود و گروهش به هندسه سطح و ساختار داخلی رگه های روی بال های سنجاقک، می گوید: پیکربندی پیچیده سلسله مراتبی بال، موجب استحکام و انعطاف پذیری شده و به سنجاقک ها اجازه می دهد تا به سرعت بالا بروند و مانور دهند. وقتی از نزدیک به الگو های بال سنجاقک نگاه کردیم متوجه وجود چندضلعی های محدب زیادی در آن شدیم.

تشریح بال پیچیده

محققان پیچیدگی های شبکه ورید هندسی بال سنجاقک را با استفاده از روش نمودار های متقابل ماکسول بررسی کردند. این ابزار تحلیل که برای محاسبه تعادل نیرو ها در یک سیستم استفاده می شود، نقش مهمی در رمزگشایی فیزیک ساختار بال سنجاقک ایفا کرد.

اکبرزاده خاطرنشان می کند: بین ضخامت اجزا یا اعضاء تشکیل دهنده متصل و تعادل درون صفحه آن شبکه، همبستگی وجود داشت. به عبارت ساده تر، یعنی شبکه عروق سنجاقک را گرفته و از همه طرف آن را بکشید و ببینید ساختار کلی به عنوان یک شبکه کششی، حداقل در یک صفحه دوبعدی، کاملاً کار می کند.

وی می افزاید: این شوک آور بود، زیرا بال برای رفتار خمشی مرتبط با حرکات بال زدن طراحی شده است تا یک شبکه فقط کششی یا فشرده سازی.

این یافته دانشمندان را قادر ساخت تا رفتار ساختار بال را که با الگوی ساختاری بال تقلید شده است، بررسی کنند. اکبرزاده اظهار داشت: در نهایت نشان دادیم که این رویکرد می تواند به ارائه سازه های بال کارآمدتر در برابر خمش خارج از صفحه منجر شود.

یادگیری ماشینی از طبیعت

این گروه هندسه بال را به شبکه عروقی داخلی و لبه های بیرونی تقسیم کرد. با این کار، نشان دادند چگونه ساختار های داخلی بال سنجاقک می تواند تحت تاثیر اجزای دیگر قرار گیرد.

اکبرزاده می گوید: ما از نمودار های شکل و نیرو بال سنجاقک به عنوان مجموعه داده های آموزشی برای توسعه مدل یادگیری ماشینی خود استفاده کردیم که می تواند شبکه های ساختاری ایجاد کند که هندسه واقعی بال را به خوبی منعکس سازد.

این دانشمند ایرانی ادامه داد: تصور کنید یک بال هواپیما بر اساس اصول رعایت شده در بال سنجاقک طراحی شده باشد. با انجام این کار، ما به طور بالقوه می توانیم هواپیما های سبک تر و کارآمدتر، با استفاده از مواد کمتر، ایجاد کنیم که منجر به صرفه جویی قابل توجه در سوخت و هزینه ها می شود، صرف نظر از اینکه این فرایند می تواند به کاهش قابل توجهی در ردپای زیست محیطی صنعت هوایی منجر شود.

تبدیل نظریه به واقعیت

این پژوهشگران، یافته های خود را در سناریو های دنیای واقعی با ترکیب طرح های الهام گرفته از سنجاقک در بدنه هواپیمای اکسترود شده دوبعدی بال بوئینگ ۷۷۷ در مقیاس ۱:۱۲۰ به کار بردند و بهبود قابل توجهی در کارایی ساختاری بال ها مشاهده کردند.

طراحی بر اساس بال سنجاقک، سختی صفحه بیرونی را تا ۲۵ درصد افزایش داد که پتانسیل طراحی بال های سبک تر و کارآمدتر را نشان می دهد.

اکبرزاده می گوید: این نه تنها عملی بودن تحقیق را تأیید می کند، بلکه نگاهی وسوسه انگیز به آینده هوانوردی ارائه می دهد.

اوج گرفتن به سوی آینده

اکبرزاده می افزاید: این مطالعه به قابلیت های بکر طراحی الهام گرفته از طبیعت توجه می کند. با هم افزایی یادگیری ماشینی، زیست شناسی ساختاری و مهندسی، مرز جدیدی در حال ظهور است، مرزی که نوید موجی از نوآوری را در رشته های مختلف مهندسی می دهد.

استاد دانشگاه پنسیلوانیا افزود: در حالی که برای الهام گرفتن به ساختار های پیچیده دنیای طبیعی نگاه می کنیم، چه کسی می داند که چه راز های دیگری را می توانیم فاش کنیم؟ از سنجاقک ها گرفته تا سایر حیوانات بالدار، سفر اکتشاف ما تازه شروع شده است.

این گروه قصد دارد با نگاهی به آینده و با امید به کشف الهامات طراحی بیشتر، عمیق تر در ساختار سه بعدی بال سنجاقک کاوش کند. آنها همچنین پیش بینی می کنند مدل یادگیری ماشینی خود را اصلاح کنند، قابلیت های پیش بینی آن را افزایش دهند و دقت بازسازی ساختار مصنوعی را بالا ببرند.

نتایج این تحقیقات در تازه ترین شماره نشریه Advanced Science منتشر شده است.