Voorbeeldige koffervis


Foto: Philippe Bourjon

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

In de voortdurende zoektocht naar energiezuinige auto’s besloot Mercedes-Benz zijn licht eens op te steken in de natuur. Daar zijn immers veel voorbeelden te vinden van dieren die snel en efficiënt lange afstanden afleggen. Logisch rolmodel zouden rappe zwemmers zijn, zoals de zeilvis of de tonijn. Hun vorm geeft echter een praktisch probleem: ze zijn heel smal. In een auto naar hun model kunnen wel twee mensen achter elkaar zitten, maar niet naast elkaar. De autofabrikant zocht daarom verder naar een vis die beter lijkt op een normale familieauto en vond de koffervis. Zo’n breed model biedt gemakkelijk plaats aan vier mensen.

De koffervis is een rifbewoner die over korte afstanden snel kan zwemmen, maar normaal houdt hij er een rustig tempo op na. Het ligt daarom niet voor de hand dat deze vis evolutionair geoptimaliseerd is op een aerodynamische vorm. Groot was de verbazing toen bij het plaatsen van koffervismodellen in een windtunnel een extreem lage weerstandcoëfficiënt werd gemeten bij hoge stroomsnelheden.

De vis heeft nog een kwaliteit die het afkijken waard is. Hij heeft een stevig pantser van benige, zeshoekige schubben die met elkaar vergroeid zijn. De platen beschermen de koffervis tegen roofdieren. De ‘Bionic Car’ kreeg sterke, lichtgewicht deuren, geïnspireerd op de zeshoekige platen. Bovendien gebruikten de ontwerpers ook nog de softwaremethode (beschreven in de vorige column) die overbodig materiaal verwijdert. In de nieuwe constructie is het gewicht van de auto met wel 30 procent verminderd.

Het resultaat is een praktische, lichtgewicht familieauto die een topsnelheid kan halen van 190 kilometer per uur en toch gebruikt hij maar 4,3 liter diesel op een ritje van 100 kilometer, aldus Mercedes-Benz. Dat maakt het model 20 procent zuiniger dan gebruikelijke ontwerpen. Of de auto moeders mooiste is, staat open voor discussie.

De auto is niet in productie genomen. Toch heeft het experiment volgens de fabrikant veel inzichten opgeleverd voor toekomstige modellen. Het verhaal van de koffervis als inspiratiebron houdt ook niet op bij de bionische auto.

Door het stevige pantser kan de vis zijn lijf onmogelijk in golven heen en weer bewegen, de manier waarop bijvoorbeeld een haai vooruitkomt. De koffervis gebruikt alleen zijn vinnen, die door openingen in het harnas steken. Met gecombineerde bewegingen kan het dier zeer behendig manoeuvreren en zelfs op de plaats draaien. Zo kan de koffervis zich in alle hoeken en gaten van het rif begeven en zijn kostje bij elkaar scharrelen.

Onderzoekers in Groningen bestuderen het samenspel van de vinnen om te achterhalen wat deze scharrelaar maakt tot de kampioen manoeuvreren met de kleinste draaicirkel. Op basis hiervan kunnen onderwaterrobots gebouwd worden die behendig een olieboorplatform inspecteren. Kleine koffervisrobotjes kunnen zich zelfs in de krappe ruimte bínnen een pijpleiding naar alle kanten keren en elke centimeter grondig controleren.

Daar waar vliegtuigen of onderzeeboten aparte systemen hebben voor aandrijving (de propeller) en sturen (het roer), leveren de vinnen van de koffervis beide functies tegelijkertijd. Twee voor de prijs van één.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

De weerstand van modellen in een windtunnel wordt aangegeven door de weerstandcoëfficiënt. In het algemeen geldt dat hoe groter de snelheid van de lucht in de windtubbel, hoe lager de weerstandcoëfficiënt van het model waar de lucht langs stroomt is. Onderstaand plaatje illustreert dit waarbij de weerstandcoëfficiënt Cd op de verticale as en en de snelheid V op de horizontale as staat.

Het is daarom niet zo raar dat modellen van de koffervis een lage weerstandcoëfficiënt hebben als er lucht tegenaan wordt geblazen met de snelheid van een auto. Dit is immers veel sneller dan de zwemsnelheid van een koffervis. Bijzonder is wel dat de gemeten waarde zó laag is.

In de wetenschap bestaan niet zelden verschillende visies over hetzelfde onderwerp. De koffervis is zo’n discussiepunt. Van voren gezien ziet het dier er uit als een schoenendoos met concave (holle) zijkanten en duidelijke randen. Onderzoek toont aan dat deze constructie een functie heeft, ze wekken namelijk wervelingen (vortices) op in het water. Er zijn zelfs gehoornde koffervissen met uitsteeksels op hun kop die extra bijdragen aan het ontstaan van wervels. Tot zover is iedereen het er nog met elkaar over eens. De onenigheid gaat over de functie van deze vortices.

De stelling van een onderzoeksgroep uit de VS is dat deze wervelingen een zelfcorrigerende werking hebben. Omdat de stroming rond een rif turbulent is wordt een vis alle kanten op bewogen en moet het moeite doen om tijdens het zwemmen op koers te blijven. De door de vorm van de koffervis opgewekte wervels zorgen ervoor dat de koersafwijkingen ‘automatisch’ gecorrigeerd worden. Op die manier hoeft de koffervis niet actief koerscorrecties uit te voeren en kan zo flink besparen op zijn energiekosten. De Amerikaanse onderzoekers zien deze theorie bevestigd in hun experimenten met zowel levende koffervissen als modellen.

Ook Groningse onderzoekers hebben dergelijke experimenten uitgevoerd, maar komen tot een heel andere conclusie. Volgens deze groep zijn de wervels bij lange na niet sterk genoeg om de stabiliserende werking te hebben. Een zelfcorrigerend mechanisme werkt bovendien een grote behendigheid tegen. Dit is juist wat de koffervis nodig heeft. Het is immers een rif bewoner die behendig in alle hoekjes en gaatjes moet zien te raken om zijn kostje bij elkaar te scharrelen. De metingen van de Groningse onderzoeksgroep bevestigen dit omdat ze laten zien dat de koffervis juist instabiel is tijdens het zwemmen van een koers. Dat past veel beter bij zijn levensstijl als handige scharrelaar.

De discussie zal ongetwijfeld nog een tijdje voortwoeden en geeft nog maar eens aan hoe intrigerend de techniek uit de natuur is.


Foto: Philippe Bourjon

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 14 november 2014

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84