Un prototipo esférico con hoyuelos de superficie ajustables se suspende en un túnel de viento, listo para probar la resistencia. Crédito: Universidad de Michigan
Los vehículos submarinos o aéreos con hoyuelos como las pelotas de golf podrían ser más eficientes y maniobrables, ha demostrado un nuevo prototipo desarrollado en la Universidad de Michigan.
Los hoyuelos de la pelota de golf cortan la resistencia a la presión, la fuerza de resistencia que un objeto se encuentra cuando se mueve a través de un fluido, produciendo la pelota un 30% más que una bola lisa en promedio. Tomando esto como inspiración, un equipo de investigación desarrolló un prototipo esférico con hoyuelos de superficie ajustables y probó su aerodinámica en un túnel de viento controlado.
“A dynamically programmable outer skin on an underwater vehicle could drastically reduce drag while eliminating the need for protruding appendages like fins or rudders for maneuvering. By actively adjusting its surface texture, the vehicle could achieve precise maneuverability with enhanced efficiency and control,” said Anchal Sareen, UM assistant professor of naval architecture and marine engineering and mechanical engineering and corresponding author of two studies published in Flow and The Física de los fluidos.
Una superficie con hoyuelos que podría cambiar la forma en que maniobra los vehículos submarinos.
Estos vehículos ágiles podrían acceder a áreas típicamente difíciles de alcanzar en el océano al realizar vigilancia, mapear nuevas áreas o recopilar datos sobre condiciones de agua.
Sareen y sus colegas formaron el prototipo estirando una capa delgada de látex sobre una esfera hueca salpicada de agujeros, que se asemeja a un pickleball. Una bomba de vacío despresuriza el núcleo, tirando del látex hacia adentro para crear hoyuelos precisos cuando se enciende. Apagando la bomba hace que la esfera se suaviza nuevamente.
Para averiguar cómo los hoyos afectados se arrastran, la esfera se puso a la prueba dentro de un túnel de viento de 3 metros de largo, suspendido por una varilla delgada y sometida a diferentes velocidades del viento.
Para cada condición de flujo, la profundidad del hoyuelo podría ajustarse finamente cambiando la resistencia de la bomba de vacío. La arrastre se midió usando una celda de carga, un sensor que detecta la fuerza ejercida por el flujo de aire en el objeto. Al mismo tiempo, se roció un aerosol en el túnel del viento, mientras que un láser y una cámara de alta velocidad capturaron el movimiento de las pequeñas partículas mientras fluían alrededor de la esfera.
Para las altas velocidades del viento, los hoyuelos menos profundos cortan el arrastre de manera más efectiva, mientras que los hoyuelos más profundos fueron más eficientes a velocidades de viento más bajas. Al ajustar la profundidad del hoyuelo, la esfera redujo el arrastre en un 50% en comparación con una contraparte suave para todas las condiciones.
“La configuración de la piel adaptativa puede notar cambios en la velocidad del aire entrante y ajustar los hoyuelos en consecuencia para mantener reducciones de arrastre. Aplicar este concepto a vehículos submarinos reduciría tanto el consumo de arrastre como de combustible”, dijo Rodrigo Vilumbrales-García, un becario de investigación postdoctoral de arquitectura naval y ingeniería marina en UM y autor contribuyente a los estudios.
La esfera morfable inteligente también puede generar elevación, lo que permite un movimiento controlado. A menudo se cree que la fuerza ascendente responsable de mantener los aviones en el aire, la elevación puede trabajar en cualquier dirección siempre que sea perpendicular a la dirección del flujo.
Para lograr esto, los investigadores diseñaron el esqueleto interno con agujeros en un solo lado, lo que hace que la esfera desarrolle un lado suave y con hoyuelos cuando se active.
Esto creó separación de flujo asimétrico en los dos lados de la esfera, desviando la estela hacia el lado liso. Por la tercera ley de Newton, el fluido aplica una fuerza igual y opuesta hacia el lado áspero, empujando efectivamente la esfera en la dirección de los hoyuelos. Los hoyuelos a la derecha generan fuerza hacia la derecha, mientras que los de la izquierda empujan a la izquierda. Esto permite la dirección precisa activando selectivamente los hoyuelos en el lado deseado.
El equipo probó la nueva esfera en la misma configuración del túnel de viento con una velocidad de viento variable y profundidad de hoyuelos. Con la profundidad óptima del hoyuelo, la esfera de media áspera/mitad lisa generó el elevador fuerza hasta el 80% de la fuerza de arrastre. La generación de elevación fue tan fuerte como el efecto Magnus, pero en lugar de usar la rotación, se creó completamente modificando la textura de la superficie.
“Me sorprendió que un enfoque tan simple pudiera producir resultados comparables al efecto Magnus, que requiere rotación continua”, dijo Putu Brahmanda Sudarsana, estudiante graduado de UM en ingeniería mecánica y autor contribuyente a los estudios.
“A la larga, esto podría beneficiarse, por ejemplo, submarinos robóticos esféricos compactos que priorizan la maniobrabilidad sobre la velocidad para la exploración e inspección. Por lo general, estos submarinos requerirían múltiples sistemas de propulsión, pero este mecanismo podría ayudar a reducir esa necesidad”.
Mirando hacia el futuro, Sareen anticipa colaboraciones que combinan experiencia en ciencia de materiales y robótica blanda, avanzando aún más las capacidades de esta tecnología dinámica de la piel.
“Esta tecnología de piel dinámica inteligente podría cambiar el juego para los vehículos aéreos y submarinos no tripulados, ofreciendo una alternativa liviana, eficiente en energía y altamente receptiva a las superficies de control articuladas tradicionales”, dijo.
“Al permitir la adaptación en tiempo real a las condiciones de flujo cambiante, esta innovación promete mejorar la maniobrabilidad, optimizar el rendimiento y desbloquear nuevas posibilidades para el diseño del vehículo”.
Más información: Rodrigo Vilumbrales-Garcia et al, Reducción de arrastre adaptativo de una esfera utilizando una piel morfable inteligente, flujo (2025). Doi: 10.1017/flo.2025.7
Putu Brahmanda Sudarsana et al, en la generación de ascensores sobre una esfera usando asimétrica aspereza, física de fluidos (2024). Doi: 10.1063/5.0241948
Proporcionado por la Universidad de Michigan
Cita: Dímes ágiles: Vehículos submarinos ágiles inspirados en bolas de golf (2025, 19 de mayo) Recuperado el 19 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-nimble-dimple-agile-underwater-vehicles.html
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