Un equipo interdisciplinario de investigadores dirigido por Keith Moored, profesor asociado de Ingeniería y Mecánica en Lehigh, recibió $ 7,5 millones del Departamento de Defensa de los EE. UU. para ayudar a desarrollar escuelas rápidas y eficientes de vehículos submarinos bioinspirados.

Un equipo interdisciplinario de investigadores dirigido por Keith Moored, profesor asociado de Ingeniería y Mecánica en Lehigh, recibió $ 7,5 millones del Departamento de Defensa de los EE. UU. para ayudar a desarrollar escuelas rápidas y eficientes de vehículos submarinos bioinspirados.

Como parte del prestigioso premio Iniciativas de investigación universitaria multidisciplinaria (MURI) de cinco años, Moored y sus colegas de la Universidad de Virginia y las universidades de Harvard y Princeton tienen como objetivo descubrir y demostrar los principios hidrodinámicos detrás de la pesca de alta velocidad y alta eficiencia y bio -Entrenamiento de robots.

«Es importante, especialmente desde la perspectiva de la Marina, construir la próxima generación de vehículos submarinos», dijo Moored. «Si observas cómo opera el ejército en el aire, tenemos drones que pueden hacer todo tipo de cosas… pero no tenemos el mismo tipo de equivalente bajo el agua. La Marina ha estado tratando de invertir en tecnología de drones submarinos, que puede servir para muchos propósitos, donde se puede evitar a las personas y hacer cosas como vigilancia y reconocimiento, pero también detección y remoción de minas submarinas”.

Moored dijo que una comprensión más profunda de las interacciones dinámicas de fluidos permitirá que los robots bioinspirados realicen estas tareas de manera más efectiva y con menos energía como grupo, al igual que los peces en una escuela.

«Sabemos que hay algunos beneficios cuando los peces nadan juntos en términos de rendimiento», dijo. «De hecho, pueden nadar más rápido cuando nadan juntos. De hecho, pueden nadar de manera más eficiente en grupo que individualmente. Lo que estamos viendo es realmente comprender esto mejor… para que finalmente podamos diseñar una escuela de robots bioinspirados que naden juntos de una manera ventajosa. Y cuando [the bots] se utilizan para una misión, pueden realizar tareas distribuidas, por lo que no solo un bot hará algo, sino que también pueden extenderse y mapear un área, detectar o monitorear otros vehículos submarinos, buscar minas u otras misiones en esa dirección.

Además de Moored, los investigadores principales del proyecto son Daniel Quinn, Haibo Dong y Hilary Bart-Smith, todos de la Universidad de Virginia; George Lauder de la Universidad de Harvard y Radhika Nagpal de la Universidad de Princeton.

Los investigadores abordarán tres preguntas clave sin resolver para descubrir los principios hidrodinámicos detrás de la escolarización: ¿Qué son los estados de escolarización que reducen la energía? ¿La organización y sincronización de bancos de peces aprovecha al máximo la hidrodinámica? ¿Y cómo se logra el entrenamiento de alto rendimiento a través de la fusión de los principios y el control hidrodinámico?

«En cuanto a los objetivos principales, estamos analizando algunas cosas diferentes», dijo Moored. “Realmente estamos tratando de entender cómo obtenemos una ventaja hidrodinámica y cuál es el patrón de entrenamiento óptimo para hacerlo. La ubicación de los peces dentro de la escuela cambia el tipo de beneficio que se obtiene de ella, pero la sincronización del movimiento de su cola también es muy importante. Necesitamos comprender mejor este tipo de espacio, cómo la sincronización y la ubicación de los peces afectan las ventajas hidrodinámicas”.

Además, dijo Moored, «también hay fuerzas que empujan y tiran de los peces en el banco que se derivan completamente de las interacciones hidrodinámicas entre los peces. Esto puede tener algo que ver con la disposición real del banco de peces en su formación. Estamos tratando de entender si estas fuerzas de empuje y atracción dan forma a los patrones de formación que vemos en los bancos de peces reales y si podemos aprovechar esto en un sistema robótico».

Idealmente, dijo Moored, los investigadores podrían hacer que los dispositivos robóticos naden en una formación específica utilizando la física correcta en lugar de tener que construir controladores para afectar sus posiciones.

El equipo construirá dispositivos robóticos como bancos de pruebas y demostradores científicos para probar o refutar hipótesis. Actualmente trabaja con dos tipos: los bots atunes, desarrollados por el equipo de Bart-Smith en la Universidad de Virginia, que miden entre 20 y 25 cm de largo, y los bots azules, desarrollados por Nagpal, que ahora está en Princeton, y de unas cinco o seis pulgadas. alto son pulgadas de largo.

«Tenemos planes de lo que queremos hacer, pero nunca se sabe lo que va a pasar en el proyecto», dijo Moored. “Siempre se abren nuevos caminos que no has notado. Y es por eso que estoy emocionado de embarcarme en el viaje y ver qué sucederá en los próximos cinco años”.

En Lehigh, el proyecto financiará un becario posdoctoral, dos estudiantes graduados y varios estudiantes universitarios cada año. En total, alrededor de 30 a 40 investigadores estarán involucrados en el proyecto.

Según Moored, Lehigh centrará su experiencia en la física básica.

«Tomamos abstracciones de estos robots», dijo Moored. «Por ejemplo, podemos mirar un modelo de la aleta trasera en sí, que es el principal elemento impulsor de los robots especializados, y veremos cómo dos o más de estas aletas traseras interactúan por sí mismas. Esta abstracción es útil porque tiene todas las características sobresalientes de estos robots. Faltan algunos detalles, lo que nos facilita el análisis, pero contiene suficiente física para comprender mucho mejor este tipo de interacciones complejas. Haremos estos experimentos más simples con algo llamado hidroalas que interactúan entre sí”.

El equipo de Lehigh también ejecutará simulaciones de flujo utilizando su código informático interno para comprender mejor la física subyacente en configuraciones más idealizadas. El equipo compartirá sus hallazgos sobre la ubicación y sincronización óptimas de los hidroalas flotantes con otros investigadores para realizar pruebas, experimentos y demostraciones adicionales.

El trabajo de Moored sobre interacciones dinámicas de fluidos también le valió un premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de 2017. Reconocido como uno de los premios más prestigiosos de NSF, el programa NSF CAREER se presenta anualmente en apoyo de los profesores que ejemplifican el papel de los profesores-becarios a través de la investigación, la educación y la integración de la educación y la investigación. También formó parte de un equipo de investigación que estudiaba la mecánica de fluidos del atún y otros animales acuáticos como parte de un proyecto multiuniversitario de más de $7 millones respaldado por la Oficina de Investigación Naval.

«Siempre me ha fascinado el océano y también las nuevas tecnologías», dijo Moored, «así que unir esas piezas en mi propio trabajo ha sido muy gratificante».

Moored obtuvo su Licenciatura en Física, su Licenciatura en Ciencias en Ingeniería Aeroespacial y su Ph.D. en ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Virginia.


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