Цивилизация
Исследователи из Университета Брауна создали искусственное крыло летучей мыши. Работа, в которой рассказано о создании крыла-робота, прекрасно моделирующего маховое движение при полете млекопитающего и дающего новую ценную информацию о механизме полета, опубликована в журнале Bioinspiration and Biomimetics.
Робот повторяет форму и движения крыла малайского коротконосого крылана (растительноядного вида крыланов, распространённого в Юго-Восточной Азии) и способен «летать», будучи закрепленным на преобразователе энергии, в аэродинамической трубе. При маховых движениях датчик фиксирует аэродинамические силы, создаваемые крылом. Семь подвижных «суставов» крыла управляются тремя серводвигателями. Это электрические двигатели, воспринимающие определённый набор электронных команд (пуск, остановка, перемещение вала в заданное угловое положение, изменение направления движения и/или скорости). Серводвигатели применяются в большинстве видов механических систем с дистанционным управлением, от стеклоподъёмников автомобиля до авиационных агрегатов и от промышленных роботов до детских игрушек. Датчики фиксируют выход энергии моторов, и таким образом исследователи могут понять, сколько тратит на полет обычная летучая мышь.
Исследования показали, что
робот успешно имитирует базовые характеристики полета летучих мышей, развивая достаточное усилие для преодоления сопротивления воздуха и удержания в воздухе веса модельного животного.
Руководили междисциплинарной работой сразу два профессора: инженер Кеннет Бреуэр и биолог Шэрон Шварц.
Исследование крыла-подделки позволило получить данные, которые никогда не удалось бы получить напрямую, исследуя животных. Очевидно, летучим мышам не удастся лететь, будучи закрепленными на приборах, напрямую измеряющих аэродинамические силы, а вот крыло-робот прекрасно с этим справляется. Кроме того, летучие мыши «непослушные», а робот, наоборот, исполнительный.
«Мы не можем приказать мыши махать крыльями с частотой 8 Гц, затем увеличить ее до 9 Гц, поэтому мы и разницу увидеть не можем», — отметил первый автор работы Джозеф Балман, студент из Университета Брауна.
А вот модель делает ровно то, что от нее требуют исследователи. Каждая из возможных характеристик движений – кинематических параметров – регулируется по отдельности. Можно, например, изменять лишь один параметр, оставляя остальные неизменными, чтобы определить его влияние.
«Мы можем отвечать на весь спектр подобных вопросов, например помогает ли увеличение частоты взмахов набрать высоту и каковы затраты энергии при этом. Можем напрямую изучать связь между кинематическими параметрами, аэродинамическими силами и энергией», — отмечает Балман.
Удалось установить, например, что сгиб крыла при взмахе позволяет набирать высоту на 50% эффективнее.
У исследований робота-крыла сразу два направления практического применения. Во-первых, биологам важно лучше понимать, как устроен полет летучей мыши, а во-вторых, через это понимание мы можем достигнуть давней мечты человека о «птичьем полете», создав небольшие самолеты такого типа. Кстати, возможность такого полета предполагал еще Леонардо да Винчи. Недаром исследования финансирует не только Национальный научный фонд США, но и управление научных исследований военно-воздушных сил.
Крылья летучей мыши – очень сложный механизм. Они простираются вдоль всего тела животного, от плеч до ног (следует помнить, что летучая мышь не птица, а млекопитающее — скелет ее чем-то похож на наш). Каркас их представляет собой кости «рук» и пять пальцеподобных отростков. На них натянута очень эластичная кожа – она может растягиваться в пределах 400% без разрыва. Модель-робот воспроизводит эту трехмерную конструкцию: «кости» пластиковые и сделаны с помощью 3D-печати в пропорциях реальной летучей мыши; «кожа» сделана из кремнийсодержащего полимера, а «суставы» – это сервомоторы. Модель, однако, несколько упрощена и не полностью повторяет 25 суставов с 34 степенями свободы, однако ученые считают ее качественно правильной.
Сейчас создана работающая модель, и у ученых на нее множество планов.
«Следующий шаг – поиграть с материалами. Нам нужно изучить разные ткани крыла, материал костей разной мягкости, чтобы понять, так ли важны эти характеристики», — заключил Балман.