[논문 리뷰] Bio-inspired underwater propulsors

Tyler Van Buren, Daniel Floryan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Micro and Nano Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 진동, 굴곡, 펄스제트, 저항 기반의 생물학적 수영 기구를 분석함으로써 생체 모방 수중 추진 시스템을 제안한다. 저항 기반 추진 방식은 충격적이고 고저항 성질을 가진 형체(예: 반원통형)를 최적화함으로써 고속도 및 고효율을 달성할 수 있음을 입증한다. 주요 기여는 스프링 장착된 충격적 노출 반원통형을 트랙에 장착한 신개념 양용 차량 설계로, 이는 높은 추진력 대 무게 비율을 달성하고 육상 및 수상 이동이 가능한 이중 모드 기능을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Here we present a general overview of bio-inspired propulsion. We identify the major types of aquatic swimmers (oscillatory, undulatory, pulsatile, and drag-based) and break down their mechanisms for thrust production (drag-based, lift-based, added mass, and momentum injection). For each swimmer, we (1) discuss wake characteristics; (2) derive expressions for thrust and efficiency; and (3) design a specific bio-inspired aquatic vehicle concept. This document will be a book chapter, which at the moment is unpublished.

연구 동기 및 목표

• 고성능 생물 수영 기술의 물리적 메커니즘을 규명하고 공 ingeneering적 영감을 얻기 위한 것이다.
• 저항 기반 추진이 본질적으로 비효율하다는 가정을 도전하며, 고속·고효율 수중 차량에 대한 잠재력을 입증하기 위한 것이다.
• 저항 기반 추진을 활용한 충격적 고저항 추진체를 적용한 새로운 양용 수중 차량을 설계하기 위한 것이다.
• 부가 질량, 동량 주입, 단계화된 편향/진동 운동을 포함한 추진력 생성 메커니즘을 분석함으로써 추진 효율을 최적화하기 위한 것이다.
• 엄격한 생체 모방 제약 없이 생물 원리를 통합하는 차세대 수중 차량을 위한 설계 프레임워크를 제공하기 위한 것이다.

제안 방법

• 진동(예: 고등어), 굴곡(예: 뱀), 펄스제트(예: 해면), 저항 기반(예: 거북이)을 기반으로 수중 수영자를 네 유형으로 분류한다.
• 저항 기반, 양력 기반, 부가 질량력, 동량 주입을 포함한 네 가지 추진 메커니즘을 분석하며, 정 steady-state 저항과 추진력 균형을 위한 수식을 유도한다.
• 거친 물체에서 발생하는 힘을 모델링하기 위해 저항 기반 추진력 수식 $ F_d = \frac{1}{2} \rho U_\infty^2 A C_D $ 를 적용하며, 앞면 면적과 저항 계수의 역할을 강조한다.
• 패딩 시스템의 효율성을 정량화하기 위해 속도 비율 효율 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $ 를 유도하며, 여기서 $ \xi = \frac{C_{D_b} A_b}{C_{D_p} A_p} $ 이다.
• 스프링 장착된 반원통형 추진체를 트랙에 장착한 개념적 양용 차량을 설계하며, 유체에 충격적으로 노출시켜 단기 추진 단계에서 저항을 극대화한다.
• 약 270°의 단계 차이를 가진 편향 및 진동 운동을 적용하여 양력 기반 추진력을 향상시키며, 유연성을 통합하여 진동 시스템의 효율을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저항 기반 추진이 일반적으로 비효율하다고 여겨지는 것과는 반대로, 어떻게 고속도 및 고효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 충격적 저항 기반 추진체의 최적 기하학적 및 동적 구성을 어떻게 설정하여 평균 추진력과 시스템 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ3 단계화된 편향 및 진동 운동이 진동 수영자에서 추진력과 효율에 어떤 영향을 미치며, 이상적인 단계 오프셋은 무엇인가?
• RQ4 왜곡성은 생체 모방 추진체, 특히 진동 및 굴곡 시스템에서 추진력과 효율을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 일관된 저항 기반 메커니즘과 추진체의 가변 노출을 통해 단일 차량 설계로 육상 및 수상 추진을 효과적으로 전환시킬 수 있는가?

주요 결과

• 충격적으로 노출된 고저항 형체(예: 반원통형)를 사용하는 저항 기반 추진은 고추력과 고효율을 달성할 수 있으며, 이는 저항 기반 시스템이 비효율하다는 인식에 도전한다.
• 이론적 시스템 효율 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $ 는 추진체가 고저항 및 낮은 앞면 면적을 가지며, 차량 자체가 저저항일 경우에 높은 효율을 달성함을 보여준다.
• 준 2차원 형체는 저비율 3차원 형체보다 약 두 배 가량 더 큰 저항을 생성하며, 이는 평면 기하학이 크기가 동일할 경우 저항을 극대화함을 시사한다.
• 충격적 시작 후 유동 개발 시간을 제한할수록 평균 추진력이 증가함을 보여주며, 이는 일정한 운동보다 짧고 고가속도의 추진 단계가 더 우수하다는 것을 입증한다.
• 편향 및 진동 운동 간의 단계 오프셋이 약 270°일 경우, 정점 각도가 가장 낮아지므로 진동 시스템에서 추진력과 효율이 극대화된다.
• 제안된 양용 차량 설계는 이중 모드 운용이 가능하다: 노출된 반원통형 추진체를 가진 트랙은 수중에서 고저항 추진을 가능하게 하며, 차량을 뒤집어 육상 이동이 가능하다. 잠수 시 수압을 향상시키기 위해 캐리어를 추가로 장착할 수 있다.