So reduzieren Sumpfgarnelen den Luftwiderstand beim Schwimmen

[eingebetteter Inhalt] So bewegt sich eine freischwimmende Sumpfgarnele (Palaemonetes vulgaris) vorwärts, indem sie metachrone Fortbewegung nutzt, um den Luftwiderstand zu verringern.

Sumpfgarnelen (Palaemonetes vulgaris) sind unglaublich schnelle und wendige Schwimmer, wie jeder, der sie durch Gezeitentümpel am Strand huschen gesehen hat, bestätigen wird. Nils Tack, ein Postdoktorand an der Brown University, untersucht die Biomechanik und Fluiddynamik, wie diese kleinen Kreaturen das Kunststück schaffen. Er präsentierte seine neuesten Ergebnisse auf einem kürzlichen Treffen der American Physical Society über Fluiddynamik in Indianapolis. Im Wesentlichen nutzt die Garnele ihre flexiblen, eng anliegenden Beine, um den Luftwiderstand erheblich zu reduzieren. Die Ergebnisse werden Wissenschaftlern helfen, effizientere bioinspirierte Roboter zur Erkundung und Überwachung von Unterwasserumgebungen zu entwickeln.

Tack ist ausgebildeter Biologe und arbeitet derzeit im Labor von Monica Wilhelmus. Anfang dieses Jahres stellte die Gruppe RoboKrill vor, einen kleinen, einbeinigen, 3D-gedruckten Roboter, der die Beinbewegung von Krill (Euphasia superba) nachahmen soll, damit er sich reibungslos durch Umgebungen bewegen kann. Zugegeben, der Roboter ist deutlich größer als der eigentliche Krill – etwa 10 Mal größer. Aber es ist schwierig, Krill im Labor zu halten und zu untersuchen. Das „Bein“ von RoboKrill kopierte die Struktur von Krill-Schwimmern mit einem Paar getriebener Gliedmaßen, und et al. von Wilhelmus verwendeten Hochgeschwindigkeits-Bildgebung, um den Winkel seiner Gliedmaßen zu messen, wenn sie sich durch das Wasser bewegten. RoboKrill erzeugte nicht nur ähnliche Muster wie echter Krill, sondern konnte auch die Schwimmdynamik anderer Organismen nachahmen, indem es die Anhänge anpasste. Sie hoffen, den Roboter eines Tages zur Überwachung von Krillschwärmen in freier Wildbahn einsetzen zu können.

Wenn es um den Schwimmstil der Sumpfgarnele geht, haben frühere Studien gezeigt, dass die Kreaturen aufgrund der Steifheit und der vergrößerten Oberfläche ihrer Beine den Vorwärtsschub maximieren können. Diese Forschung behandelte Beine (alias Pleopoden) im Wesentlichen als Paddel oder flache Platten, die auf dem Wasser nach oben drücken. Aber niemand hat genau darauf geachtet, wie sich die Beine während der Erholungsaufnahmen gebogen haben. „Es ist ein sehr komplexes System“, sagte Tack während eines Briefings bei dem Treffen. "Wir versuchen, uns [dem Thema] aus zwei Blickwinkeln zu nähern, indem wir die Flüssigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Beine betrachten."

[eingebetteter Inhalt] Video der Strömung, die von einer Sumpfgarnele während der metachronen Fortbewegung erzeugt wird, unter Verwendung von Hellfeld-Partikelbild-Velocimetrie.

Konkret impften Tack und seine Kollegen das Wasser mit mikroskopisch kleinen Partikeln, die es ihnen ermöglichten, die Geschwindigkeit und Richtung der Strömungseigenschaften zu verfolgen und zu berechnen, und verwendeten Velozimetrie durch Hellfeld-Partikelbild (PIV), um die Flüssigkeitsströmung herum zu visualisieren flatternde Garnelenbeine. Sie untersuchten auch die mechanischen Eigenschaften von Garnelenbeinen, was nicht einfach ist, da jedes Bein etwa die Größe eines Sandkorns hat. "Wir haben im Grunde mit bekannter Kraft auf die Beine gedrückt, um zu sehen, wie sie sich biegen", sagte Tack.

Dieser duale Ansatz ermöglichte es dem Team, zwei wichtige Mechanismen zur Verringerung des Luftwiderstands zu identifizieren. Erstens stellten sie bei Tack einen großen Unterschied in den Mustern zwischen dem Kraftschuss, der den Schub erzeugt, und dem Erholungsschuss fest. „Wir haben festgestellt, dass die Beine während des Erholungshubs etwa doppelt so flexibel sind und sich stark beugen“, sagte er. "Sie bleiben fast horizontal in die Richtung, in die sie schwimmen." Dies führt zu einer weniger direkten Interaktion mit dem Wasser und einem reduzierten Nachlauf (kleinere Wirbel), im Gegensatz zum Power Kick, bei dem das Bein sehr steif bleibt, um die Interaktion mit dem Wasser zu maximieren.

Zweitens erwies sich auch die Gruppierung der Pleopoden während der Bergungsaufnahme als wichtig. „Wann immer sie die Beine wieder in ihre ursprüngliche Position bringen, halten sie sie 100% der Zeit eng zusammen“, sagte Tack. Möglich wird dies durch die Flexibilität, die für einen dichten Abschluss zwischen den Beinen der Garnele sorgt. Anstatt sich also drei Beine separat zu bewegen, bewegen sich ihre Beine im Wesentlichen als eins, wodurch der Luftwiderstand stark reduziert wird. „Sie treten stundenlang sechs Mal pro Sekunde mit den Beinen, also ist das potenziell eine Menge Energie, die sie haben …