Đồ án: Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng thân bông súng đến ứng dụng ống đa diện

Khám phá đồ án nghiên cứu ứng dụng ống đa diện từ biên dạng thân cây bông súng. Phân tích ảnh hưởng kích thước đến hiệu quả truyền nhiệt và lưu chất.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: Ts. Đặng Hùng Sơn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
• Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
• MỤC LỤC BẢNG
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu [1]
• 1.1.1. Giới thiệu về thiết kế sinh học
• 1.1.2. Giới thiệu về bông súng
• 1.2. Đối tượng và ứng dụng [1]
• 1.3. Phương hướng nghiên cứu
• 1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.3.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.4. Đề tài nghiên cứu
• 1.4.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4.2. Lí do chọn đề tài
• 1.4.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.5. Các phương tiện hỗ trợ
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 2.1.1. Nghiên cứu bộ áo lượn trên không phỏng theo loài sóc bay [2]
• 2.1.2. Nghiên cứu tuabin gió phỏng theo cấu trúc của quả dầu [3]
• 2.1.3. Nghiên cứu cải tiến thiết kế đầu tàu siêu tốc shinkansen phỏng theo cấu trúc mỏ của chim bói cá [4]
• 2.1.4. Thiết kế và xây dựng nhà hát esplanade phỏng theo cấu trúc của quả sầu riêng [5]
• 2.1.5. Thiết kế toà tháp truyền hình canton, quảng châu, trung quốc dựa trên cấu trúc xương đùi của con người [6]
• 2.1.6. Cao ốc Eastgate được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối [7]
• 2.1.7. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của tuabin gió phỏng theo cấu tạo vây của cá voi lưng gù [8]
• 2.1.8. Thiết kế cabin phỏng sinh học giúp máy bay nhẹ hơn dựa trên cấu trúc sinh học của nấm mốc [9]
• 2.1.9. Phát triển một chiếc xe phỏng sinh học dựa trên cấu trúc sinh học của cá nắp hòm [10]
• 2.1.10. Thiết kế bộ đồ bơi fastskin và bề mặt hạn chế vi khuẩn phát triển dựa trên cảm hứng từ da cá mập [22]
• 2.2. Các nghiên cứu ở việt nam [12]
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3.2. Mô hình tính toán dòng chảy rối trong ansys [29]
• 3.3. Cơ sở thực nghiệm
• 3.3.1. Phương pháp taguchi [35]
• 3.3.2. Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm
• 3.3.3. Các bước thực hiện
• 3.4. Phân tích phương sai anova (analysis of variance) [34]
• 3.4.1. Phân tích phương sai một yếu tố
• 3.4.2. Phân tích phương sai hai yếu tố
• 3.5. Phần mềm minitab [34]
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU
• 4.1. Mô phỏng số
• 4.1.1. Xây dựng mô hình ống đa diện
• 4.1.1.1. Giới thiệu về phần mềm inventor
• 4.1.1.2. Xây dựng mô hình ống đa diện trên inventor 2019
• 4.1.2. Xây dựng các thông số phân phối ngẫu nhiên
• 4.1.2.1. Phần mềm matlab
• 4.1.2.2. Phân phối ngẫu nghiên
• 4.1.2.3. Dữ liệu phân phối ngẫu nhiên mô phỏng
• 4.1.3. Tiến hành mô phỏng số
• 4.1.3.1. Giới thiệu về phần mềm ansys
• 4.1.3.2. Các bước tiến hành mô phỏng số trên phần mềm ansys
• 4.1.4. Kết quả thu được từ mô phỏng
• 4.2. Xử lý số liệu theo taguchi
• 4.2.1. Xử lí kết quả nhiệt độ sau quá trình mô phỏng
• 4.2.2. Xử lí kết quả áp suất sau quá trình mô phỏng
• 4.2.3. Xử lí kết quả vận tốc sau quá trình mô phỏng
• 4.3. Xử lý số liệu bằng phần mềm minitab
• 4.3.1. Xử lí số liệu kết quả nhiệt độ bằng minitab
• 4.3.2. Xử lý số liệu kết quả áp suất bằng minitab
• 4.3.3. Xử lý số liệu kết quả vận tốc bằng minitab
• 4.4. Xử lý số liệu theo anova
• 4.4.1. Xử lý số liệu nhiệt độ theo anova
• 4.4.2. Xử lý số liệu áp suất theo anova
• 4.4.3. Xử lý số liệu vận tốc theo anova
• 4.5. Model tối ưu nhiệt độ
• 4.6. Model tối ưu áp suất
• 4.7. Model tối ưu vận tốc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nghiên cứu Ống Đa Diện Phỏng theo Thân Cây Bông Súng

Nghiên cứu ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng là một đề tài tiên phong trong lĩnh vực thiết kế sinh học tại Việt Nam. Đây là sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và cảm hứng từ tự nhiên, nhằm tạo ra các thiết bị hiệu quả hơn, tiện lợi và nhỏ gọn hơn. Ống đa diện được thiết kế dựa trên cấu trúc đặc biệt của thân cây bông súng, một loài thực vật có hình dạng độc đáo. Nghiên cứu này được thực hiện bởi các sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Hùng Sơn. Mục đích chính là tìm hiểu ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện trong các lĩnh vực công nghệ nhiệt và điện lạnh.

1.1. Khái niệm Thiết Kế Sinh Học và Ứng Dụng

Thiết kế sinh học là phương pháp lấy cảm hứng từ các cấu trúc, hình dạng và chức năng tự nhiên để cải tiến các sản phẩm công nghệ. Trên thế giới, các nghiên cứu về thiết kế sinh học đã mang lại những thành tựu đáng kể như bộ áo lượn phỏng theo sóc bay và tuabin gió phỏng theo quả dầu. Tại Việt Nam, lĩnh vực này vẫn chưa được đầu tư đầy đủ, do đó các nghiên cứu chỉ ở mức thử nghiệm và tạo mô hình đơn giản.

1.2. Đặc Điểm Của Thân Cây Bông Súng

Thân cây bông súng sở hữu cấu trúc hình đa diện độc đáo với các biên dạng hình cánh hoa. Hình dạng này không phải ngẫu nhiên mà là kết quả của quá trình tiến hóa, giúp cây thích ứng với điều kiện môi trường. Các đặc điểm như đường kính ngoài, đường kính đường tròn lớn và chiều dài biên dạng của thân cây đều có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất của ống đa diện phỏng theo.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thu Thập Dữ Liệu

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp tiếp cận khoa học và toàn diện để nghiên cứu ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng. Quá trình bắt đầu từ việc thu thập các mẫu thân cây bông súng thực tế, sau đó tiến hành đo đạc kỹ lưỡng các kích thước và biên dạng. Dữ liệu thu được được xử lý bằng phương pháp quản lý thống kê Taguchi, một công cụ hiệu quả để tối ưu hóa thiết kế. Tiếp theo, nhóm xây dựng các mô hình 3D trên phần mềm Inventor 2019 và sử dụng Matlab R2015a để phân phối ngẫu nhiên các thông số đầu vào, đảm bảo tính khách quan của nghiên cứu.

2.1. Thu Thập Mẫu và Đo Đạc Kích Thước

Bước đầu tiên trong nghiên cứu là thu thập các mẫu thân cây bông súng từ tự nhiên. Các mẫu được lựa chọn một cách cẩn thận để đảm bảo đại diện cho độ biến đổi của loài cây này. Sau đó, nhóm tiến hành đo đạc các thông số quan trọng như đường kính ngoài ống, chiều dài biên dạng hình cánh hoa và đường kính đường tròn lớn. Dữ liệu thu được tạo thành nền tảng cho việc xây dựng mô hình thí nghiệm.

2.2. Mô Phỏng Số và Phân Tích Dữ Liệu

Sau khi xây dựng các mô hình 3D của ống đa diện, nhóm tiến hành mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng. Kết quả từ mô phỏng được xử lý bằng phương pháp Taguchi, Anova và phần mềm Minitab 19 để kiểm tra độ tin cậy. Quá trình này giúp xác định các yếu tố nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất của ống đa diện.

III. Kết Quả Nghiên Cứu và Mô Hình Tối Ưu

Sau quá trình mô phỏng số và phân tích dữ liệu chi tiết, nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết luận quan trọng về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng. Nghiên cứu xác định ba yếu tố chính có ảnh hưởng lớn nhất: kích thước chiều dài biên dạng, đường kính ngoài của ống và đường kính đường tròn lớn. Dựa trên những phát hiện này, nhóm đã xây dựng ba mô hình tối ưu, mỗi mô hình được thiết kế để đạt hiệu suất tốt nhất cho một khía cạnh cụ thể của ứng dụng, bao gồm độ chênh nhiệt độ, độ chênh áp suất và độ chênh vận tốc.

3.1. Mô Hình Tối Ưu Cho Độ Chênh Nhiệt Độ

Yếu tố kích thước chiều dài biên dạng hình cánh hoa được xác định là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chênh nhiệt độ của ống đa diện. Mô hình tối ưu được xác định với ký hiệu P13-P22-P31-P42-P52, đạt được hiệu nhiệt độ t ≈ 85. Kết quả này cho thấy rằng việc điều chỉnh chiều dài biên dạng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền nhiệt của ống.

3.2. Mô Hình Tối Ưu Cho Độ Chênh Áp Suất và Vận Tốc

Đường kính ngoài của ống được xác định là yếu tố chính ảnh hưởng độ chênh áp suất, với mô hình tối ưu P12-P22-P33-P41-P51 đạt độ chênh áp p ≈ 7. Riêng đường kính đường tròn lớn trong biên dạng cánh hoa ảnh hưởng lớn đến độ chênh vận tốc, mô hình tối ưu P12-P23-P32-P41-P53 đạt độ chênh vận tốc v ≈ 3, cho phép tối ưu hóa lưu lượng chất lỏng.

IV. Ý Nghĩa và Hướng Phát Triển của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy lĩnh vực thiết kế sinh học tại Việt Nam. Những phát hiện từ nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức về cách tối ưu hóa các thông số kỹ thuật mà còn mở ra hướng đi mới cho phát triển các thiết bị công nghệ nhiệt và điện lạnh. Ống đa diện có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hệ thống làm lạnh, trao đổi nhiệt và các hệ thống chất lỏng khác. Bằng cách tiếp tục đầu tư nghiên cứu, Việt Nam có thể phát triển công nghệ độc lập và cạnh tranh với các nước tiên tiến trong lĩnh vực này.

4.1. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Của Ống Đa Diện

Ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng có thể được ứng dụng trong các hệ thống trao đổi nhiệt, làm lạnh công nghiệp và các hệ thống tuần hoàn chất lỏng. Thiết kế độc đáo của ống giúp tăng cường hiệu suất truyền nhiệt và giảm tổn hao áp suất, từ đó tiết kiệm năng lượng. Các mô hình tối ưu từ nghiên cứu này có thể được áp dụng để thiết kế các sản phẩm thương mại.

4.2. Hướng Phát Triển Tiếp Theo

Các nhà nghiên cứu nên tiếp tục thực hiện các thí nghiệm thực tế để xác thực kết quả mô phỏng số. Ngoài ra, cần mở rộng nghiên cứu sang các cấu trúc sinh học khác để khám phá thêm nhiều ứng dụng công nghệ mới. Việt Nam cần tăng cường đầu tư vào lĩnh vực thiết kế sinh học để phát triển các công nghệ bản địa và tạo ra sản phẩm cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật nhiệt – điện lạnh, các thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống điều hòa không khí, làm lạnh công nghiệp, nhà máy nhiệt điện và các giải pháp thu hồi nhiệt thải. Thực tiễn kỹ thuật hiện nay cho thấy phần lớn các thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống thường có kích thước cồng kềnh, chiếm diện tích lắp đặt lớn nhưng hiệu suất truyền nhiệt chưa đạt mức tối ưu. Khi có nhu cầu gia tăng công suất giải nhiệt, giải pháp mở rộng kích thước hình học thuần túy làm tăng chi phí vật liệu và không gian lắp đặt, không còn phù hợp với xu hướng công nghệ hiện đại vốn ưu tiên tính nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động môi trường.

Thiết kế sinh học (Biomimetics/Biomimicry) là phương thức mô phỏng các cấu trúc và cơ chế tự nhiên để giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp. Trên thế giới, các nguyên lý phỏng sinh học đã được ứng dụng rộng rãi trong khí động lực học, kiến trúc và truyền nhiệt, nhưng tại Việt Nam hướng nghiên cứu này vẫn còn mới mẻ và chủ yếu dừng ở mức mô hình hóa thử nghiệm đơn giản. Cây bông súng (tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea spp., thuộc họ Nymphaeaceae) là loài thực vật phổ biến tại Việt Nam; cấu tạo giải phẫu thân cây có tiết diện ngoài hình tròn nhưng bên trong chứa các khoang rỗng dạng ống nhỏ chạy dọc suốt chiều dài thân với các biên dạng hình cánh hoa. Nhận thấy tiềm năng thủy lực và truyền nhiệt từ cấu trúc tự nhiên này, đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện trao đổi nhiệt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo các bước cụ thể:

1. Thu thập mẫu thân cây bông súng ngoài tự nhiên, tiến hành đo đạc và xây dựng cơ sở dữ liệu kích thước hình học thực tế của các khoang rỗng.
2. Xây dựng mô hình hình học 3D của ống đa diện và hệ thống bộ góp phỏng sinh học trên phần mềm thiết kế chuyên dụng.
3. Ứng dụng thuật toán phân phối ngẫu nhiên để thiết lập thông số kích thước đầu vào nhằm đảm bảo tính khách quan cho quá trình khảo sát.
4. Thực hiện mô phỏng số động lực học chất lưu (CFD) để khảo sát trường nhiệt độ, phân bố áp suất và biến thiên vận tốc dòng chảy qua ống.
5. Xử lý dữ liệu mô phỏng bằng phương pháp hoạch định thực nghiệm Taguchi, phân tích phương sai ANOVA và đối chứng bằng phần mềm thống kê để tìm ra các yếu tố kích thước có ảnh hưởng chi phối lớn nhất.
6. Xác định và thiết lập cấu hình kích thước của 3 mô hình ống đa diện tối ưu tương ứng cho 3 mục tiêu: độ chênh nhiệt độ, độ chênh áp suất và độ chênh vận tốc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Kích thước và biên dạng hình học của các khoang rỗng phỏng theo thân cây bông súng ứng dụng vào kết cấu ống đa diện trao đổi nhiệt.
• Phạm vi nội dung: Đánh giá tác động của 5 yếu tố kích thước hình học đến 3 thông số đầu ra gồm độ chênh nhiệt độ ($\Delta t$), độ chênh áp suất ($\Delta p$) và biến thiên vận tốc ($\Delta v$) của lưu chất chuyển động bên trong ống.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07 năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết động lực học chất lưu tính toán (CFD), lý thuyết thực nghiệm mô hình hóa và các phương pháp thống kê tối ưu hóa kỹ thuật.

Về mô hình thủy lực và truyền nhiệt, nghiên cứu sử dụng mô hình dòng chảy rối $k-\varepsilon$ Standard (Standard k-epsilon) tích hợp trong phần mềm ANSYS Fluent. Mô hình này giải hai phương trình vận chuyển vi phân riêng biệt để xác định động năng chảy rối ($k$) và tốc độ triệt tiêu động năng chảy rối ($\varepsilon$):

• Phương trình động năng chảy rối $k$: biểu diễn sự tích tụ, đối lưu và khuếch tán của động năng rối dưới tác động của sự sinh năng lượng do vận tốc trung bình ($G_k$), lực nổi ($G_b$), sự đóng góp của độ nén ($Y_M$) cùng số Prandtl chảy rối $\sigma_k$.
• Phương trình tốc độ triệt tiêu $\varepsilon$: xác định sự tiêu tán của các xoáy rối thông qua các hằng số kinh nghiệm $C_1, C_2, C_3$ và số Prandtl chảy rối $\sigma_\varepsilon$.

Về phương pháp hoạch định thực nghiệm và xử lý dữ liệu:

• Phương pháp Taguchi: Áp dụng bảng trực giao $L_{27}(3^5)$ gồm 5 yếu tố hình học khảo sát (ký hiệu từ P1 đến P5), mỗi yếu tố được chia làm 3 mức độ (levels). Phương pháp sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - $S/N$) để đánh giá mức độ ổn định và tối ưu của các thông số. Đối với bài toán tối đa hóa (nhiệt độ) và tối thiểu hóa (áp suất, vận tốc), tỷ số $S/N$ được tính toán qua hàm mất mát chất lượng để xác định thứ hạng ảnh hưởng (Rank/Delta) của từng yếu tố.
• Phân tích phương sai ANOVA (Analysis of Variance): Sử dụng mô hình ANOVA một yếu tố và hai yếu tố nhằm kiểm định giả thuyết thống kê về sự sai khác giữa các giá trị trung bình mẫu, thông qua việc tính toán tổng độ lệch bình phương toàn phần ($SST$), độ lệch bình phương giữa các nhóm ($SSB$ hoặc $SSK$), phương sai phần dư ($SSW$ hoặc $SSE$) và tiêu chuẩn kiểm định Fisher ($F$ thực nghiệm so với $F$ lý thuyết).

Phương pháp nghiên cứu thực tế và công cụ hỗ trợ:

• Thu thập và đo đạc mẫu sinh học: Lấy mẫu cắt thực tế thân cây bông súng trong tự nhiên, tiến hành đo kích thước biên dạng hình học làm dữ liệu cơ sở.
• Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2019: Thiết kế mô hình 3D ống đa diện, bộ góp và khối chất lưu.
• Phần mềm MATLAB R2015a: Chạy thuật toán sinh phân phối ngẫu nhiên các thông số kích thước đầu vào để gán vào các nghiệm thí nghiệm theo ma trận Taguchi.
• Phần mềm ANSYS Workbench / Fluent 2014: Thiết lập lưới tính toán (Mesh), kiểm tra tiêu chuẩn độ lệch lưới (Skewness), gán điều kiện biên và giải hệ phương trình truyền nhiệt - dòng chảy rối.
• Phần mềm Minitab 19: Tính toán kiểm tra độc lập các biểu đồ tác động chính ($S/N$, Mean) và bảng phân tích phương sai ANOVA.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm bộ kích thước giải phẫu thực tế từ mẫu thân cây bông súng và tập dữ liệu số thu được từ 27 trường hợp mô phỏng số trên hệ thống ANSYS Fluent.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này giới thiệu tổng quan về lịch sử và định nghĩa của ngành thiết kế sinh học (Biomimetics/Biomimicry), bắt nguồn từ các phác thảo của Leonardo da Vinci, các nghiên cứu thần kinh học của Otto Schmitt (thập niên 1950) đến các công trình phổ biến khái niệm của Janine Benyus (1997). Tiếp đó, chương mô tả đặc tính thực vật học của cây hoa súng (Nymphaea rubra / Nymphaea spp.), cấu tạo lá và đặc điểm hình học của thân súng với các đường ống rỗng phân bố dọc trục. Tác giả phân tích tính cấp thiết của việc cải tiến thiết bị trao đổi nhiệt, nêu rõ lý do lựa chọn biên dạng thân cây bông súng, xác định phạm vi nghiên cứu và giới thiệu tổng thể 4 công cụ phần mềm kỹ thuật trợ giúp quá trình thực hiện đề tài gồm Inventor 2019, MATLAB R2015a, ANSYS 2014 và Minitab 19.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

Chương 2 tổng thuật các công trình nghiên cứu và ứng dụng phỏng sinh học nổi bật trong nước và quốc tế. Trên thế giới, 10 công trình tiêu biểu được phân tích gồm:

1. Nghiên cứu bộ áo lượn trên không mô phỏng loài sóc bay của Ferguson (2016).
2. Nghiên cứu tuabin gió phỏng theo cấu trúc quả dầu của Yung-Jeh Chu và Wen-Tong Chong (2017) với mô-men xoắn tăng 772% so với cánh thông thường.
3. Cải tiến thiết kế đầu tàu siêu tốc Shinkansen dựa trên mỏ chim bói cá của kỹ sư Eiji Nakatsu, giúp giảm tiếng nổ siêu thanh, tiết kiệm năng lượng và tăng 10% tốc độ.
4. Tòa nhà hát Esplanade tại Singapore mô phỏng vỏ quả sầu riêng với hơn 7.000 tấm nhôm hình chóp che chắn bức xạ mặt trời.
5. Tháp truyền hình Canton (Quảng Châu) mô phỏng cấu trúc rỗng xoắn của xương đùi con người do Mark Hemel và Barbara Kuit thiết kế.
6. Tòa cao ốc Eastgate (Harare) của kiến trúc sư Mick Pearce và tập đoàn Arup mô phỏng cơ chế thông gió tổ mối, giữ ổn định nhiệt độ ở 27°C và tiết giảm 90% năng lượng điều hòa (tương đương 3,5 triệu USD).
7. Nghiên cứu cánh tuabin gió mô phỏng gờ bướu trên vây cá voi lưng gù của Ernst van Nierop, Michael Brenner, Silas Alben và Frank Fish, giúp giảm 32% lực cản và tăng 8% lực nâng.
8. Thiết kế cấu trúc cabin máy bay của Airbus và Autodesk phỏng theo mạng lưới phát triển của nấm mốc và xương, giảm khối lượng từ 143 pound xuống 66 pound (giảm 55%).
9. Xe ý tưởng phỏng sinh học của Mercedes-Benz và DaimlerChrysler dựa trên cá nắp hòm (Ostracion cubicus), đạt hệ số cản gió $C_d = 0{,}06$, giảm 20% tiêu thụ nhiên liệu và tăng 40% độ cứng vỏ.
10. Bộ đồ bơi Fastskin của Speedo Aqualab tăng 3% tốc độ bơi và bề mặt màng kháng khuẩn của Sharklet Technologies lấy cảm hứng từ cấu trúc da cá mập.

Tại Việt Nam, văn bản điểm qua sản phẩm cánh tay sinh kỹ thuật (Bionic hand) phục vụ người khuyết chi do Công ty TNHH 3D MASTER phát triển dựa trên công nghệ in 3D công nghiệp Zortrax M200.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Nội dung chương tập trung vào cơ sở toán học và phương pháp luận:

• Trình bày bản chất của phương pháp thực nghiệm khoa học, phân loại thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm, hiện trường, thăm dò, kiểm tra, đối chứng) và các nguyên tắc kiểm soát tham số.
• Thiết lập hệ phương trình vi phân mô hình dòng chảy rối $k-\varepsilon$ Standard trong môi trường tính toán của ANSYS Fluent, bao gồm phương trình động năng rối $k$ và tốc độ triệt tiêu $\varepsilon$.
• Trình bày lý thuyết phương pháp Taguchi: nguyên lý mảng trực giao (Orthogonal Arrays), cấu trúc bảng Taguchi $L_{27}(3^5)$, các bước ấn định 5 yếu tố vào bảng trực giao, công thức xác định tỷ số $S/N$ cho tiêu chuẩn tối đa hóa và tối thiểu hóa, cách tính phần trăm đóng góp $C%$.
• Thiết lập lý thuyết giải thuật phân tích phương sai ANOVA một yếu tố và hai yếu tố: kiểm định giả thuyết $H_0/H_1$, tính toán các độ lệch bình phương ($SS$), phương sai nội nhóm ($MSW$), phương sai giữa các nhóm ($MSB$) và xác định chỉ số $F$ thực nghiệm so với giá trị $F$ lý thuyết từ hàm phân phối.
• Giới thiệu giao diện và các module thiết kế thực nghiệm (DOE), vẽ đồ thị phân tích trên phần mềm Minitab 19.

Chương 4: Mô phỏng số và xử lí số liệu

Chương 4 là phần trọng tâm triển khai kỹ thuật và tính toán thực nghiệm số:

• Xây dựng mô hình 3D: Dùng Inventor 2019 phác thảo tiết diện 2D từ số liệu đo thực tế thân cây bông súng, đùn khối ống đa diện, tạo biên dạng bộ góp hai đầu, điền khối thể tích chất lưu và gán thuộc tính vật liệu.
• Phân phối ngẫu nhiên: Ứng dụng MATLAB R2015a chạy phân phối ngẫu nhiên các thông số kích thước đầu vào để phục vụ ma trận 27 thí nghiệm Taguchi.
• Mô phỏng số trên ANSYS: Nhập hình học vào Geometry, ghép khối phần tử, thực hiện chia lưới (Mesh), kiểm tra tiêu chuẩn chất lượng lưới thông qua chỉ số Skewness; thiết lập điều kiện biên dòng chảy, gán tính chất lưu chất và chọn mô hình $k-\varepsilon$ Standard; xuất kết quả phân bố trường nhiệt độ, áp suất và vận tốc qua các mặt cắt ngang và dọc.
• Xử lý số liệu: Tiến hành tính toán thủ công các bảng tỷ số $S/N$ cho 27 trường hợp mô phỏng đối với 3 thông số; sử dụng Minitab 19 chạy đồ thị tác động $S/N$, đồ thị Mean và bảng ANOVA; xếp hạng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố hình học từ P1 đến P5.
• Xác lập cấu hình tối ưu: Xây dựng và mô phỏng kiểm chứng 3 mô hình hình học tối ưu độc lập cho trường nhiệt độ, trường áp suất và trường vận tốc.

Chương 5: Kết luận

Chương cuối tóm tắt các phát hiện cốt lõi từ quá trình mô phỏng và xử lý số liệu; công bố 3 yếu tố hình học có ảnh hưởng chi phối lớn nhất đến ba đại lượng đặc tính của ống đa diện và khẳng định kết quả của các mô hình cấu hình tối ưu đạt được.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc mô phỏng 27 bài toán quy hoạch thực nghiệm theo ma trận Taguchi $L_{27}$ và rút ra các kết quả định lượng cụ thể cho từng chỉ tiêu thủy lực - truyền nhiệt của ống đa diện thân cây bông súng:

Chỉ tiêu khảo sát	Yếu tố hình học ảnh hưởng lớn nhất	Thứ hạng ảnh hưởng	Ký hiệu mô hình tối ưu	Kết quả mô phỏng đạt được
Độ chênh nhiệt độ	Chiều dài biên dạng hình cánh hoa	Hạng 1 (Rank 1)	P13-P22-P31-P42-P52	Hiệu nhiệt độ $t \approx 85$
Độ chênh áp suất	Đường kính ngoài của ống đa diện	Hạng 1 (Rank 1)	P12-P22-P33-P41-P51	Hiệu áp suất $p \approx 7$
Biến thiên vận tốc	Đường kính đường tròn lớn trong biên dạng cánh hoa	Hạng 1 (Rank 1)	P12-P23-P32-P41-P53	Hiệu vận tốc $v \approx 3$

Các kết luận kỹ thuật chính từ số liệu mô phỏng:

• Đối với trường nhiệt độ: Yếu tố kích thước chiều dài biên dạng hình cánh hoa đóng vai trò quyết định hàng đầu đến mức độ chênh lệch nhiệt độ của lưu chất giữa cửa vào và cửa ra. Mô hình tối ưu P13-P22-P31-P42-P52 cho hiệu quả truyền nhiệt cao nhất với hiệu nhiệt độ đạt giá trị $t \approx 85$.
• Đối với tổn thất áp suất: Kích thước đường kính ngoài của ống đa diện là thông số chi phối mạnh nhất đến trở lực thủy lực của dòng chảy qua ống. Mô hình tối ưu P12-P22-P33-P41-P51 duy trì độ chênh áp thấp nhất với hiệu áp suất $p \approx 7$.
• Đối với phân bố vận tốc: Kích thước đường kính đường tròn lớn bên trong biên dạng cánh hoa có ảnh hưởng lớn nhất đến sự biến thiên vận tốc lưu chất. Mô hình tối ưu P12-P23-P32-P41-P53 tạo ra độ chênh vận tốc ổn định với hiệu vận tốc $v \approx 3$.

Đóng góp của đồ án:

• Về mặt ý tưởng: Là một trong những công trình tiên phong tại Việt Nam nghiên cứu khai thác trực tiếp biên dạng giải phẫu của thân cây bông súng để thiết kế kết cấu ống trao đổi nhiệt đa diện.
• Về mặt phương pháp: Xây dựng quy trình phối hợp liên hoàn giữa đo đạc mẫu tự nhiên, thuật toán ngẫu nhiên hóa (MATLAB), thiết kế 3D (Inventor), mô phỏng thủy lực số CFD (ANSYS Fluent) và phương pháp tối ưu thống kê công nghiệp (Taguchi kết hợp ANOVA và Minitab 19).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Toàn bộ kết quả đánh giá đặc tính nhiệt độ, áp suất và vận tốc mới dừng lại ở kết quả mô phỏng số trên môi trường phần mềm (ANSYS Fluent), chưa được kiểm chứng đối chứng qua các thí nghiệm đo đạc thực tế trên mẫu ống vật lý chế tạo thật.
• Nghiên cứu xác lập 3 cấu hình tối ưu độc lập cho 3 chỉ tiêu riêng biệt (nhiệt độ, áp suất, vận tốc), chưa thực hiện bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời để tìm ra một cấu hình hình học duy nhất dung hòa tối ưu giữa việc tăng truyền nhiệt và giảm tổn hao áp suất.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Chế tạo mẫu thử thực tế của ống đa diện phỏng sinh học bằng các phương pháp gia công cơ khí chính xác hoặc công nghệ in 3D kim loại để lắp đặt vào hệ thống thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm.
• Tiến hành thực nghiệm đối chứng để so sánh dữ liệu thực tế với kết quả mô phỏng số, từ đó hiệu chỉnh các điều kiện biên và hệ số mô hình chảy rối.
• Mở rộng nghiên cứu bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời (Multi-objective optimization) với các dải lưu lượng và loại môi chất trao đổi nhiệt khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Năng lượng thực hiện các đề tài về thiết bị trao đổi nhiệt, khí động lực học chất lưu và truyền nhiệt nâng cao.
• Các nhóm nghiên cứu kỹ thuật theo hướng thiết kế phỏng sinh học (Biomimetics) tìm kiếm phương pháp chuyển hóa các cấu trúc tự nhiên thành mô hình kỹ thuật số.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:

• Quy trình ứng dụng ma trận Taguchi $L_{27}(3^5)$ và phân tích phương sai ANOVA để sàng lọc, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số hình học phức tạp đối với kết quả mô phỏng CFD.
• Trình tự thiết lập bài toán mô phỏng dòng chảy rối trong ANSYS Workbench / Fluent từ khâu tiền xử lý hình học (Inventor), chia lưới và kiểm tra chất lượng phần tử (Skewness) đến gán điều kiện biên nhiệt – thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng tự nhiên nào được lựa chọn làm nguồn cảm hứng thiết kế trong đồ án?
Nghiên cứu lấy cảm hứng từ cấu trúc thân cây bông súng (Nymphaea rubra / Nymphaea spp. thuộc họ Nymphaeaceae). Tiết diện thân cây có dạng hình tròn bên ngoài và chứa các khoang rỗng chạy dọc theo chiều dài thân với các biên dạng hình cánh hoa.

2. Những phần mềm kỹ thuật nào đã được sử dụng trong suốt quá trình nghiên cứu?
Đề tài sử dụng 4 phần mềm kỹ thuật gồm: Autodesk Inventor Professional 2019 (thiết kế mô hình 3D), MATLAB R2015a (chạy thuật toán phân phối ngẫu nhiên thông số đầu vào), ANSYS Workbench / Fluent 2014 (chia lưới và giải bài toán mô phỏng CFD), và Minitab 19 (xử lý dữ liệu thống kê Taguchi và ANOVA).

3. Mô hình dòng chảy rối nào được thiết lập trong phần mềm ANSYS Fluent?
Nghiên cứu lựa chọn mô hình dòng chảy rối hai phương trình $k-\varepsilon$ Standard (Standard k-epsilon), giải các phương trình vận chuyển cho động năng chảy rối $k$ và tốc độ triệt tiêu $\varepsilon$.

4. Yếu tố hình học nào có ảnh hưởng chi phối lớn nhất đến độ chênh nhiệt độ của ống đa diện?
Kích thước chiều dài biên dạng hình cánh hoa là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chênh nhiệt độ. Mô hình tối ưu cho mục tiêu nhiệt độ được xác định là P13-P22-P31-P42-P52 với hiệu nhiệt độ mô phỏng đạt giá trị $t \approx 85$.

5. Bảng trực giao Taguchi nào đã được áp dụng để hoạch định các trường hợp thí nghiệm?
Nghiên cứu sử dụng bảng quy hoạch trực giao Taguchi $L_{27}(3^5)$ tương ứng với 5 yếu tố kích thước hình học khảo sát (P1 đến P5), mỗi yếu tố gồm 3 mức độ (levels), tạo thành ma trận 27 trường hợp mô phỏng số.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã xây dựng thành công quy trình ứng dụng thiết kế phỏng sinh học từ cấu trúc thân cây bông súng vào kết cấu ống đa diện trao đổi nhiệt. Bằng việc kết hợp mô phỏng số CFD trên ANSYS Fluent với quy hoạch thực nghiệm Taguchi $L_{27}$ và phân tích phương sai ANOVA, nghiên cứu đã định lượng hóa mức độ ảnh hưởng của 5 yếu tố kích thước hình học đến trường nhiệt độ, áp suất và vận tốc dòng chảy. Kết quả đã xác lập được 3 mô hình cấu hình tối ưu độc lập cho từng đặc tính kỹ thuật, trong đó kích thước chiều dài biên dạng cánh hoa chi phối mạnh nhất đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu và phương pháp luận rõ ràng cho các nghiên cứu tiếp theo về việc chế tạo thực nghiệm và tối ưu hóa thiết bị truyền nhiệt phỏng sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu [1] 1.1 Giới thiệu về thiết kế sinh học Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời… Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950.

Trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982. Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Đã có rất nhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật.2 Giới thiệu về bông súng Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng) Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ.

Cây đã lan rộng qua các nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma. Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền. 1 Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưa thưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng. Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá.

Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân.2 Đối tượng và ứng dụng [1] 1.1 Đối tượng Thiết kế sinh học được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế ra các cấu trúc nhân tạo mới ưu việt hơn. Việc mô phỏng lại cấu trúc sinh học của các sinh vật để đưa vào thiết kế, việc này có thể giải quyết các vấn đề thường gặp trong thực tế như nâng cao khả năng chịu lực, tự làm mát, tự hồi phục,…hay thu nhỏ kích thước của một số sản phẩm. Trong bài nghiên cứu lần này, chúng em dựa vào cấu trúc của thân cây bông súng để thiết kế nên một ống trao đổi nhiệt với mong muốn sẽ cải thiện khả năng trao đổi nhiệt, dòng chảy lưu chất và thu nhỏ kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt thông thường.2 Ứng dụng Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo: * Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình.

Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay. 1 Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [1] * Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn.

Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau. 2 Khóa dán (khóa velcro) [1] Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi. 3 Dự án BioArch [1] * Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran.

Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C).Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên.3 Phương hướng nghiên cứu 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới có nhiều nghiên cứu và trong các công trình, khi có những vấn đề phát sinh, nhiều kỹ sư đã tìm đến những cấu trúc độc đáo của thế giới tự nhiên để mô phỏng lại nhằm giải quyết các vấn đề. Sau đây là một số ví dụ về các nghiên cứu và công trình có ứng dụng thiết kế sinh học.Ferguson đã nghiên cứu về bộ áo giúp con người có thể lượn trên không trung, đây là một nghiên cứu được lấy ý tưởng từ loài sóc bay, nghiên cứu được thực hiện vào năm 2016. Bộ áo đã thực hiện được ước mơ được nghĩ ra từ những năm 1930, kể từ lúc đó đã có 96% người tiên phong thí nghiệm thiệt mạng.[2] Yung-Jeh Chu và Wen-Tong Chong đã nghiên cứu và chế tạo tuabin gió dựa trên cấu tạo của quả dầu vào năm 2017.

Nghiên cứu này xây dựng các cánh tuabin gió và 4 xem xét hiệu suất hoạt động của chúng dựa vào động lực học lưu chất tính toán (CFD).[3] Eiji Nakatsu, một kỹ sư Nhật Bản, trong lúc đang tìm cách giảm bớt tiếng nổ siêu thanh khi tàu cao tốc Shinkansen khi nó ra khỏi đường hầm. Ông đã tìm đến thế giới tự nhiên để tìm cảm hứng và quyết định chọn hình dáng mỏ của chim bói cá làm mô phỏng. Kết quả là thiết kế giúp hạn chế tiếng ồn, giúp tàu sử dụng ít năng lượng hơn và nhanh hơn 10%.[4] Hai công ty kiến trúc DP Architechts (DPA) và Michael Wilford & Partners (MWP), cả hai công ty đã cùng làm việc với nhau để hoàn thành dự án xây dựng nhà hát Esplanade vào năm 1992. Cấu trúc của nhà hát được lấy ý tưởng từ hình dáng của quả sầu riêng.

Thiết kế độc đáo này giúp nhà hát Esplanade trông rất độc đáo và tầm nhìn ra mọi phía của nhà hát giúp khách tham quan có thể ngắm cảnh dễ dàng hơn. Có hơn 7000 hình chóp nhìn chúng giống như những cái gai của quả sầu riêng, mỗi hình chóp được trang bị kính và sẽ thay đổi góc độ để tránh ánh nắng chói chang của mặt trời.[5] Hai vợ chồng kiến trúc sư ông Mark Hemel và bà Barbara Kuit, là người đã thiết kế nên cấu trúc của toà tháp truyền hình Canton ở Quảng Châu, Trung Quốc. Đây là một kiến trúc độc đáo khi nó mang cho mình một đường cong tuyệt đẹp và độc nhất. Thiết kế được lấy ý tưởng từ cấu trúc xương đìu của con người, với hình dạng to ở hai đầu và hẹp lại ở giữa tạo thành vòng eo.[6] Kiến trúc sư Mick Pearce đã phối hợp cùng các kiến trúc sư của Arup để thiết kế nên toà cao ốc Eastgate.

Đây là một kiến trúc được lấy ý tưởng từ cấu trúc của tổ mối. Với khả năng thông gió tốt của cấu trúc này, công trình có khả năng tự điều tiết điều kiện không khí với mức tiêu thụ năng lượng ít.[7] Ernst van Nierop, Michael Brenner và Silas Alben đã dựa theo cấu tạo của vây cá voi lưng gù để nâng cao hiểu quả của tuabin gió. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi góc tác động thay đổi từ 120 đến 180, lực cản sẽ giảm 32% và lực nâng cánh tăng 8%.[8] Nhà sản xuất máy bay châu Âu Airbus đã hợp tác với Autodesk để suy nghĩ lại về thiết kế của cabin của máy bay. Cabin mới đã ra mắt tại hội nghị của Đại học Autodesk ở Las Vegas và nhờ công nghệ in 3D, một số thuật toán mới dựa trên cấu trúc sinh học của nấm mốc và sự phát triển của xương để tạo ra cấu trúc phỏng sinh học.

Cabin này chỉ nặng 66 pound, giúp tiết kiệm rất lớn cả về nhiên liệu và lượng khí thải carbon. Các 5 cabin hiện tại của Airbus nặng 143 pound. Mục tiêu là giảm 30% trọng lượng và hoàn toàn đạt được mức giảm trọng lượng tới 55%.[9] Một nhóm kỹ sư tại Trung tâm Công nghệ Mercedes-Benz và Daimler Chrysler Research đã quyết định phát triển một chiếc xe lấy ý tưởng bionic, tìm cách tối ưu hóa thiết kế khí động học. Mô hình sinh học mà từ đó họ rút ra cảm hứng thiết kế của mình là cá nắp hòm (Ostraci cubus).

Thử nghiệm mô hình trong một đường hầm gió đạt được hệ số cản gió chỉ 0,06. Kết quả nghiên cứu cho thấy là một trong những chiếc xe khí động học tốt nhất trong loại kích thước này từng được phát triển. Theo Daimler, mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 20% (Daimler Chrysler AG, 2004).2 Các nghiên cứu trong nước Công ty TNHH 3D MASTER đã chế tạo thành công sản phẩm cánh tay sinh kỹ thuật hỗ trợ đắc lực các chức năng cho người khuyết chi tại Việt Nam với chi phí rất tối ưu.