日本东京——东京都立大学的研究人员使用进化算法来确定超薄、受生物学启发的二维机翼横截面的最佳翼型。轻质膜状机翼是火星等稀薄大气中无人机 (UAV) 以及无人机小型化领域的有力竞争者。通过使用“零厚度”模型，他们能够专注于翼型图案的影响，而不受机翼前缘厚度和形状的影响。他们发现了针对最小或最大阻力进行优化的设计。
无人机 (UAV)（或无人机）在我们的日常生活中广泛使用，从递送包裹到现场媒体报道。它们还向科学家承诺，有能力研究其他行星等奇异环境。这带来了重大挑战。例如，如果我们考虑火星，大气层就会稀薄得多。这意味着针对高速地面运动优化的机翼形状不再是最佳的：需要重新设计地面，考虑到它们所流过的流体的特征“雷诺数”，其中由于空气粘度引起的能量耗散效应减少了惯性效应。
同样的流体特性也适用于地球上非常小的飞机机翼的设计。这促使科学家从昆虫翅膀中寻求灵感，昆虫翅膀的大小和速度使它们处于“低雷诺数”状态。一个重要的焦点是超薄的膜状机翼，它不仅与自然界中看到的相似，而且重量轻且便于携带，这都是无人机被运送到另一个星球的重要因素。
在最近的工作中，东京都立大学 Masahiro Kanazaki 教授领导的团队利用计算机算法研究了低雷诺数空间中新型无人机机翼的设计。他们专注于飞机中的仿生粒子如何帮助减少阻力或增加升力。他们使用进化优化，其中算法对不同的设计运行空气动力学模拟，根据不同的目标对其进行判断，并继续改进它们以获得更好的结果。为了专注于机翼波纹，他们采用了“零厚度”模拟：虽然在现实世界中不可能并且只能在计算机上实现，但这些模拟可以帮助我们仅研究机翼形状的影响，而不考虑影响性能的前缘厚度。该团队发现了针对低阻力或高升力优化设计的重要趋势。对于低阻力，有一些设计比平板的阻力更小。前缘附近的波纹导致空气轮减少摩擦阻力。相比之下，升力优化的襟翼具有非常小的弯度，整体呈凸形，并且在后缘附近具有凹形特征。
虽然昆虫可以使其膜质翅膀变形以采用扁平和弧形设计，但将这两种元素融入 3D 设计中可以提高在各种环境中的性能。该团队相信他们的发现将指导无人机小型化以及稀薄大气的机翼设计。
这项工作得到了 JSPS KAKENHI 拨款号 24K01083、日本跨规模信息基础设施 (JHPCN) 和高性能计算基础设施 (HPCI) 联合使用/研究中心项目 ID jh25002 的支持。
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