Учёные часто следуют примерам природы, когда дело касается конструирования роботов. И поскольку в случае с насекомыми всегда было очевидно, что их крылья придают им необходимую подъёмную силу и тягу, учёные фокусировали своё внимание в основном именно на них. Но биологов уже давно интересовал вопрос – участвует ли в управлении полётом и брюшко насекомого, о чём косвенно свидетельствуют некоторые специализированные исследования? Для того, чтобы расставить точки над «и» в этом вопросе, биологи объединили свои усилия с инженерами.
Они начали эксперимент с того, что привязали большого мотылька вида Manduca sexta на круглой арене, и окружили его системой LED-дисплеев. Дисплеи создавали решётчатый паттерн зелёных и чёрных полосок (вы можете видеть его на приведённой выше картинке), и вращали его вверх и вниз.
«Если бы вы наблюдали нечто подобное в кинотеатре, у вас бы сложилось забавное ощущение, что вы вращаетесь в направлении, противоположном бегущим огонькам», говорит исследователь проекта Ноа Кован из Университета Джона Хопкинса. «Мы фактически построили IMAX кинотеатр для мотылька, чтобы дать ему ощущение, что он движется».
В ходе этого эксперимента исследователи выяснили, что мотылёк двигал своим брюшком в ответ на изменения визуального окружения. Если паттерн вращался вверх (по часовой стрелке), мотылёк поднимал брюшко вверх (против часовой стрелки). Таким образом, он поднимал или опускал брюшко «в противовес» движению.
По словам Кована, «Мотылёк продемонстрировал очень стереотипные динамические реакции», которые позволили учёным математически смоделировать его поведение, и точно предсказывать его реакции на различные паттерны.
Благодаря наблюдениям и построенной модели, учёные определили, что мотыльки используют своё брюшко для управления полётом в силу двух различных механизмов. Во-первых, движения брюшка смещают центр масс мотылька по отношению к центру подъёмной силы, противодействуя вращению. Вдобавок, когда мотылёк вращает своё брюшко, его торакс вращается в противоположном направлении для сохранения углового момента – а это заставляет аэродинамические силы, создаваемые крыльями, прикреплёнными к тораксу, перенаправляться, помогая скорректировать потерю стабильности. Квадротор, построенный исследовательской командой. Обратите внимания на свисающую батарею, которая функционирует также как и брюшко мотылька.
Квадротор, построенный исследовательской командой. Обратите внимания на свисающую батарею, которая функционирует также как и брюшко мотылька
Кован сообщает, что их открытие может улучшить стабильность летающих дронов – и фактически, команда уже продемонстрировала это, построив механический квадротор. Эти летающие роботы имеют четыре пропеллера, которые работают от четырёх независимых моторов, питаемых прикреплённой батареей. Учёные отсоединили батарею, подвесили её снизу, и снабдили сенсором и управляющей системой, которая автоматически корректирует позицию батареи в ответ на движения робота. Также как и мотылёк, когда робот двигает своей батареей, аэродинамические силы от пропеллеров перенаправляются, что приводит к повышению его устойчивости. Фактически, исследователи дали батарее робота второе назначение. «В инженерном деле люди склонны фокусироваться на принципе «одна деталь – одна функция», но в биологии мы видим невероятно сложные интегрированные системы», говори Кован. «Урок, которому мы можем научиться у живой природы – это её успеху в адаптации конструкции для получения преимущества многофункциональности».
Источник: http://gearmix.ru/