Mô phỏng bí mật khí động học của châu chấu

Các nhà nghiên cứu đang tiến một bước gần hơn tới việc chế tạo phi cơ siêu nhỏ mang tính linh hoạt và hiệu quả sử dụng năng lượng như châu chấu sau khi giải mã thành công bí mật khí động học trong chuyển động bay của loài côn trùng này.

Tiến sĩ John Young đến từ trường đại học New South Wales cùng một nhóm các nhà nghiên cứu về cơ chế bay của động vật thuộc khoa Động vật học, trường Đại học Oxford đã sử dụng các camera kỹ thuật số tốc độ cao để ghi hình những con châu chấu trong một ống gió, từ đó ghi lại được hình dáng cánh của châu chấu thay đổi như thế nào trong khi bay. Họ sử dụng thông tin này để tạo ra một mô hình máy tính tái lập luồng khí và sức ép do chuyển động đập cánh phức tạp của châu chấu.

Kết quả đột phá được công bố trên tờ Science số ra tuần này, đồng nghĩa với việc các kỹ sư lần đầu hiểu được bí mật khí động học của một trong những loài động vật bay hiệu quả nhất trong tự nhiên. Đây chính là thông tin quan trọng góp phần tìm cách tạo ra máy bay tự động siêu nhỏ sử dụng trong các tình huống như tìm kiếm và giải cứu, ứng dụng quân sự và khảo sát các khu vực nguy hiểm.

“Giờ đây, cái gọi là “bumblebee-paradox” (“nghịch lý ong nghệ) cho rằng côn trùng không tuân theo các quy luật khí động học đã bị bác bỏ. Khí động học hiện đại thực sự có thể được áp dụng chính xác trên cơ chế bay của côn trùng,” tiến sĩ Young, giảng viên trường Kỹ thuật Cơ khí, Dân dụng và Không gian vũ trụ thuộc Học viện Quốc phòng Australia, cho biết.

“Các hệ thống sinh học đã được tối ưu hóa do sức ép tiến hóa trải qua hàng triệu năm, và chúng chứa hàng ngàn ví dụ về sự vượt trội của tạo hóa so với những gì con người có thể làm ra.”

Tiến sĩ Young nói: “Đôi cánh được cấu tạo vô cùng tinh vi của một con côn trùng, với những đường cong và nếp xoắn, với những bề mặt gợn nhấp nhô đúng chỗ, là một cấu trúc vượt xa những gì con người tạo ra trên cánh máy bay kiểu dáng khí động học.”

Minh họa về các dòng khí quanh cánh của một con châu chấu đang bay. (Ảnh: Nhóm nghiên cứu cơ chế bay của động vật, Khoa Động vật học, đại học Oxford và tiến sĩ John Young, đại học New South Wales – Học viện Quốc phòng Úc)

“Cho tới mãi gần đây, người ta vẫn chưa thể đo đạc được hình dáng thực sự của cánh côn trùng khi bay – phần vì cánh chúng đập quá nhanh, phần vì hình dáng cánh quá phức tạp.”

“Châu chấu là một vật nghiên cứu rất thú vị đối với các kỹ sư do chúng có khả năng bay được khoảng cách cực xa chỉ với một phần năng lượng hạn chế.”

Sau khi mô hình máy tính về chuyển động của cánh châu chấu được hoàn thiện, các nhà nghiên cứu đã cho chạy các mô hình để tìm hiểu tại sao cấu trúc cánh của loài này lại phức tạp đến vậy.

Trong một thử nghiệm, họ đã bỏ đi tất cả những đường cong và nếp gấp, chỉ để lại các nút xoắn; còn ở một thử nghiệm khác, họ thay thế cánh bằng các mảng phẳng, cứng. Kết quả cho thấy các mô hình đơn giản hóa cũng tạo ra sức nâng, nhưng kém hiệu quả hơn nhiều, do đó châu chấu cần gấp nhiều lần năng lượng để bay được.

“Thông điệp dành cho các kỹ sư đang cố gắng xây dựng phi cơ siêu nhỏ phỏng theo cấu tạo của côn trùng là, việc côn trùng nâng cánh lên cao khá đơn giản và con người có thể dễ dàng bắt chước, nhưng để đạt được hiệu quả như những chuyến bay xuyên lục địa của châu chấu thì các chi tiết thiết kế cánh phải đạt tới độ vô cùng tinh vi,” tiến sĩ Young nói.

Nhóm tham gia nghiên cứu đến từ đại học Oxford bao gồm: tiến sĩ Simon Walker, tiến sĩ Richard Bomphrey, tiến sĩ Graham Taylor, và giáo sư Adrian Thomas đều là thành viên Nhóm nghiên cứu Chuyển động Bay của Động vật thuộc khoa Động vật học.

Bài thuyết trình về kết quả nghiên cứu với tiêu đề “Chi tiết cấu tạo cánh côn trùng giúp nâng cao chức năng khí động học và hiệu quả chuyển động bay” đã xuất hiện trên tờ Science số ra ngày 18 tháng 9.