顫抖的楊樹葉可以拯救未來的火星探測器

沃里克大學(xué)的研究人員受顫抖的楊樹葉獨(dú)特運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種能量收集機(jī)制，可以在惡劣環(huán)境下為氣象傳感器供電，甚至可以作為備用能源，可以拯救和延長生命。未來的火星漫游車。

近年來，華威大學(xué)的三年級(jí)工科本科生一直在研究阿斯彭為什么把顫抖的問題拋在了微風(fēng)中。華威大學(xué)的工程研究人員薩姆塔克哈維(Sam Tucker Harvey)、伊戈?duì)柣敉咧Z夫(Igor A. Khovanov)博士和彼得丹尼森科(Petr Denissenko)博士受到啟發(fā)，更加關(guān)注他們每年為學(xué)生設(shè)定的任務(wù)，并進(jìn)一步研究這一現(xiàn)象。

他們決定研究阿斯彭葉片低風(fēng)速顫振的潛在機(jī)制是否能有效發(fā)電，只需要利用葉片產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型。今天，他們在2019年3月18日公布了這個(gè)問題的答案。作為一篇題為《應(yīng)用物理快報(bào)》中的帶移動(dòng)附件的能量收集器》的論文，答案是肯定的。

該報(bào)第一作者、華威大學(xué)博士工程研究員薩姆塔克哈維說：

“這種機(jī)構(gòu)最吸引人的地方在于，它提供了一種無需使用軸承就能發(fā)電的機(jī)械手段，在極寒、極熱、多塵或多沙的環(huán)境中，軸承可以停止工作。同時(shí)，還可以產(chǎn)生勢能。它足夠小，可以為自動(dòng)電氣設(shè)備供電，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)可用于在遠(yuǎn)程和極端環(huán)境中提供自動(dòng)天氣傳感等應(yīng)用。

Petr Denissenko博士進(jìn)一步指出，未來的應(yīng)用可以作為未來火星著陸器和移動(dòng)站的備用電源。

“火星車Opportunity的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)師最偉大的夢想，但即使是堅(jiān)硬的太陽能電池板最終也可能被恒星的沙塵暴所克服。如果我們能基于這項(xiàng)技術(shù)為未來的火星車配備一個(gè)備用的機(jī)械能收集器，它可能會(huì)延續(xù)下一代火星探測器和著陸器的壽命。”

白楊的關(guān)鍵是“低風(fēng)”，但尖顫不僅僅是葉子的形狀，更重要的是與莖的有效扁平形狀有關(guān)。

華威大學(xué)的研究人員使用數(shù)學(xué)模型來獲得樹葉的機(jī)械當(dāng)量。然后，他們利用低速風(fēng)洞測試了帶有懸臂梁的裝置，如阿斯彭葉片的平桿和圓形截面的彎曲葉尖，它們與主葉片相似。

然后葉片垂直于流動(dòng)方向定向，這使得收割機(jī)能夠在異常低的風(fēng)速下產(chǎn)生自持振蕩(例如楊樹葉)。測試表明，當(dāng)葉片的速度變得足夠高時(shí)，氣流會(huì)附著在葉片的后表面，因此更類似于機(jī)翼，而不是通常在風(fēng)能收集背景下研究的阻風(fēng)門。

在自然界中，細(xì)莖在風(fēng)中向兩個(gè)不同方向扭曲的趨勢也會(huì)增強(qiáng)葉子顫抖的趨勢。然而，研究人員的建模和測試發(fā)現(xiàn)，他們不需要在他們的機(jī)械模型中復(fù)制進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)程度的額外復(fù)雜性。簡單地將扁桿的基本特性復(fù)制成懸臂梁和彎曲的葉尖，其圓形的橫截面就像主葉片一樣，足以產(chǎn)生足夠的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來收獲動(dòng)力。

接下來，研究人員將研究哪種基于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的發(fā)電技術(shù)可以最好地利用這種設(shè)備，以及如何在陣列中最好地部署這些設(shè)備。

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