Робот, вдохновлённый скатом, раскрывает тайну того, как скаты плавают.
Чтобы выяснить, что делает скатов такими уникальными и необычными пловцами, команда инженеров-механиков из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) создала волнистый роботизированный плавник. После погружения робота в подводные туннели, предназначенные для имитации плавания у морского дна, их испытания показывают, что у разных видов скатов могли развиться альтернативные техники плавания, которые лучше всего подходят для их среды обитания. В частности, результаты показывают, что некоторые виды скатов, плавающие у морского дна, регулируют движение и наклон своих плавников, чтобы противостоять направленной вниз силе, которая в противном случае притянула бы их к земле.
Оказывается, скаты, грациозно скользящие по волнам у морского дна, делают это не для того, чтобы выглядеть круто. Вместо этого причудливые взмахи, вероятно, являются эволюционной адаптацией для обеспечения стабильности и долговечности во время плавания. Команда, стоящая за механическим плавником, считает, что те же принципы однажды можно будет применить для создания энергоэффективных подводных картографических роботов. И они не одиноки в восхищении скатами. Другие исследователи уже пытаются использовать знания о плавании скатов для разработки более скрытных подводных аппаратов нового поколения.
Исследование о роботизированном плавнике было опубликовано на этой неделе в журнале Journal of the Royal Society Interface.
**Проверка плавания скатов**
Когда дело доходит до плавания, не все виды скатов одинаковы. Массивные скаты манты и другие пелагические виды скатов, как правило, парят у поверхности океана, используя взмахи крыльями. Бентосные скаты, такие как скаты, проводящие время в более мелких водах, полагаются на другое волнообразное движение, которое часто напоминает движение самих волн, в которых они плавают. Этот второй волнистый стиль плавания особенно очаровал учёных своей кажущейся простотой и эффективностью.
Предыдущие исследования этого метода плавания показали, что волнообразное движение, используемое скатами, на самом деле, по-видимому, более эффективно перерабатывает энергию из окружающей воды, чем взмахи плавниками.
Инженер-механик из UCR и соавтор статьи Юаньхан Чжу предположил, что расхождение в стилях плавания может быть связано с различной средой обитания видов скатов. Чтобы проверить эту теорию в контролируемых условиях, команда решила создать роботизированный плавник. Испытывая плавник в различных условиях, исследователи могли наблюдать, как физические силы в воде влияют на его движение. Окончательная конструкция плавника имела толщину всего 9,5 миллиметра (около 0,4 дюйма) и была изготовлена из силиконовой резины. Они также построили большой водяной туннель, предназначенный для имитации океанского потока.
Во время экспериментов команда размещала робота как у поверхности туннеля, так и ниже, ближе к искусственному морскому дну. В обоих случаях они наблюдали, как различные уровни океанского потока влияют на подъёмную силу, действующую на плавники. Понимание подъёмной силы важно, поскольку она играет ключевую роль в определении того, могут ли объекты, движущиеся в пространстве, оставаться на одном уровне. Например, птицы, летящие близко к земле, испытывают положительную подъёмную силу, которая удерживает их более ровными и устойчивыми. Исследователи ожидали увидеть нечто подобное для робота-ската, плавающего у морского дна. Вместо этого произошло обратное. Их робот всасывался вниз.
«Это было не то, что мы ожидали, — сказал Чжу в блоге UCR. — Вместо того чтобы получать дополнительную подъёмную силу у дна, скаты притягивались вниз».
Удивлённая полученными данными, команда внесла небольшие корректировки в робота, чтобы попытаться компенсировать отрицательную подъёмную силу. Они обнаружили, что направленную вниз силу можно уменьшить, просто наклонив плавник робота вверх на несколько градусов. Экстраполируя это, исследователи предполагают, что скаты и другие бентосные скаты естественным образом плавают со слегка приподнятым углом плавника, что раньше не было ясно. Во время тестирования волнообразное движение, похожее на скат, также последовательно обеспечивало лучшее расстояние от морского дна, чем взмахи плавниками, используемые пелагическими видами скатов.
«Природа, похоже, уже решила эту проблему», — добавил Чжу.
**Роботы и подводные аппараты будущего**
Это не первый раз, когда инженеры пытались применить уникальную биологию скатов в мире робототехники. В 2018 году инженеры из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали робота длиной 10 миллиметров, похожего на ската, состоящего из смеси сердечных клеток и гибких электродов. Исследователи из Гарварда создали, возможно, ещё более странного биогибридного робота-ската в 2017 году, оснащённого крысиными мышцами и приводимого в движение системой движения, запускаемой светом.
В другом месте исследователи из Вашингтонского университета уже изучают способы применения техник плавания скатов для подводных аппаратов нового поколения. В конечном счёте они надеются адаптировать структурные характеристики скатов для создания аппаратов, которые будут более энергоэффективными и тихими, чем современные подводные лодки и подводные аппараты.