Designs inspirados na pele de tubarão melhoram o desempenho aerodinâmico

Para construir máquinas mais aerodinâmicas, os investigadores inspiram-se numa fonte improvável: o oceano.

Uma equipe de biólogos e engenheiros evolucionistas da Universidade de Harvard, em colaboração com colegas da Universidade da Carolina do Sul, lançou luz sobre um mistério de décadas sobre a pele de tubarão e, no processo, demonstrou uma nova estrutura bioinspirada que poderia melhorar a aerodinâmica desempenho de aviões, turbinas eólicas, drones e carros.

A pesquisa é publicada no Journal of the Royal Society Interface.

Na verdade, tubarões e aviões não são tão diferentes. Ambos são projetados para se moverem com eficiência através de fluidos (água e ar), usando as formas de seus corpos para gerar sustentação e diminuir o arrasto. A diferença é que os tubarões têm uma vantagem de cerca de 400 milhões de anos no processo de design.

“A pele dos tubarões é coberta por milhares e milhares de pequenas escamas, ou dentículos, que variam em forma e tamanho ao redor do corpo”, disse George Lauder, professor de ictiologia Henry Bryant Bigelow e professor de biologia no Departamento de Organismo e Biologia Evolutiva, coautora da pesquisa. “Sabemos muito sobre a estrutura desses dentículos – que são muito semelhantes aos dentes humanos – mas a função tem sido debatida.”

A maioria das pesquisas concentrou-se nas propriedades de redução do arrasto dos dentículos, mas Lauder e sua equipe se perguntaram se havia mais nessa história.

“Perguntámos: e se, em vez de reduzirem principalmente o arrasto, estas formas específicas fossem na verdade mais adequadas para aumentar a sustentação”, disse Mehdi Saadat, pós-doutorando em Harvard e co-autor do estudo. Saadat tem um cargo conjunto em engenharia mecânica na Universidade da Carolina do Sul.

Para ajudar a testar essa hipótese, os pesquisadores colaboraram com uma equipe de engenheiros da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson. Para se inspirar, eles recorreram ao tubarão-mako, o tubarão mais rápido do mundo. Os dentículos do mako têm três cristas elevadas, como um tridente. Usando micro-tomografia computadorizada, a equipe imaginou e modelou os dentículos em três dimensões. Em seguida, eles imprimiram em 3D as formas na superfície de uma asa com seção transversal aerodinâmica curva, conhecida como aerofólio.

“Os aerofólios são o componente principal de todos os dispositivos aéreos”, disse August Domel, Ph.D. estudante da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências de Harvard e co-primeiro autor do artigo. “Queríamos testar essas estruturas em aerofólios como uma forma de medir seu efeito na sustentação e no arrasto para aplicações no projeto de vários dispositivos aéreos, como drones, aviões e turbinas eólicas.”

Os pesquisadores testaram 20 configurações diferentes de tamanhos de dentículos, fileiras e posições de fileiras em aerofólios dentro de um tanque de fluxo de água. Eles descobriram que, além de reduzir o arrasto, as estruturas em forma de dentículo aumentaram significativamente a sustentação, agindo como geradores de vórtices de baixo perfil e alta potência.

Mesmo que você não saiba o que é um gerador de vórtice, você já viu um em ação. Carros e aviões são equipados com esses pequenos dispositivos passivos que alteram a forma como o ar flui sobre a superfície de um objeto em movimento para torná-lo mais aerodinâmico. A maioria dos geradores de vórtice no campo hoje tem um design simples, semelhante a uma lâmina.

“Esses geradores de vórtice inspirados em tubarões alcançam melhorias na relação sustentação-arrasto de até 323 por cento em comparação com um aerofólio sem geradores de vórtice”, disse Domel. “Com esses projetos de prova de conceito, demonstramos que esses geradores de vórtices bioinspirados têm potencial para superar os projetos tradicionais.”

“Você pode imaginar esses geradores de vórtice sendo usados ​​em turbinas eólicas ou drones para aumentar a eficiência das pás”, disse Katia Bertoldi, William, e Ami Kuan Danoff, professora de Mecânica Aplicada no SEAS, outra coautora do estudo. “Os resultados abrem novos caminhos para designs aerodinâmicos melhorados e bioinspirados.”

“Esta pesquisa não apenas descreve uma nova forma para geradores de vórtices, mas também fornece informações sobre o papel dos dentículos de tubarão complexos e potencialmente multifuncionais”, disse Lauder.

O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.

A pesquisa foi coautoria de James Weaver, do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada em Harvard, e Hossein Haj-Hariri, reitor de engenharia e computação da Universidade da Carolina do Sul. Esta pesquisa foi apoiada pelo Office of Naval Research e pela National Science Foundation.

Referência: “Projetos inspirados na pele de tubarão que melhoram o desempenho aerodinâmico” por August G. Domel, Mehdi Saadat, James C. Weaver, Hossein Haj-Hariri, Katia Bertoldi e George V. Lauder, 7 de fevereiro de 2018, Interface da Sociedade Real.
DOI: 10.1098/rsif.2017.0828