A bioinspired air lubrication system derived from penguin feathers

The widespread use of aquatic robots opens the way to a wide range of different applications, including seabed exploration, maintenance of offshore structures and environmental monitoring. One of the main limitations of these systems is their high energy consumption, largely due to the hydrodynamic resistance of the fluid. This thesis proposes as an innovative solution the realization of a system for drag reduction in underwater bodies. Specifically, an air lubrication device inspired by the plumage of penguins was developed and applied to two prototypes with different shapes. The operating principle consists in covering the outer surface of the body with air bubbles, in order to minimize the frictional drag force due to the viscosity of the fluid. A series of experiments was then performed on the two models, in order to assess the functioning of the system and its ability to generate a continuous flow of small air bubbles on the surface of the prototype under examination. The tests conducted showed that there are some differences in the distribution of air around the two bodies, caused by the different shape of their external profile. With a view to future developments, part of the thesis was dedicated to the design of a new test bench on which to carry out extensive experiments and to be able to measure the reduction of the total resistance force.

L’utilizzo diffuso di robot acquatici apre la strada a uno ampio spettro di diverse applicazioni, tra cui l’esplorazione dei fondali marini, la manutenzione di strutture offshore e il monitoraggio ambientale. Uno dei principali limiti di questi sistemi è l’elevato consumo energetico, dovuto in gran parte alla resistenza idrodinamica opposta dal fluido. Questa tesi propone come soluzione innovativa la realizzazione di un sistema capace di ridurre la resistenza all’avanzamento in corpi subacquei. In particolare, un dispositivo a cuscinetto d’aria ispirato al piumaggio dei pinguini è stato sviluppato e applicato a due diversi prototipi con forme differenti. Il principio di funzionamento consiste nel ricoprire la superficie esterna del corpo con delle bolle d’aria, in modo da minimizzare la forza di drag dovuta alla viscosità del fluido. Una serie di esperimenti è stata poi eseguita sui due corpi, al fine di valutare il funzionamento del sistema e la sua capacità di generare un flusso continuo di piccole bolle d’aria sulla superficie del prototipo in esame. Dalle prove condotte è emerso che esistono delle differenze nella distribuzione dell’aria attorno ai due corpi, causate dalla diversa forma del loro profilo esterno. In vista degli sviluppi futuri, parte della tesi è stata dedicata alla progettazione di un nuovo banco prova su cui eseguire degli esperimenti più approfonditi e poter misurare la riduzione della forza di resistenza totale.