Открытие общих правил изгиба кончиков крыльев и плавников животных при разработке робота-медузы

Проект по созданию биовдохновлённого плавающего робота-медузы, спонсируемый ВМС США, привёл к неожиданному открытию: кончики крыльев, плавников, ласт, ног моллюсков и других пропульсивных органов у широкого спектра животных изгибаются по общим правилам.

Исследование, проведённое под руководством Джона Х. Костелло из Колледжа Провиденс и Морской биологической лаборатории (MBL) в Вудс-Хоул, опубликовано на этой неделе в Nature Communications.

Изучив видеозаписи 59 различных животных — от плодовых мушек до горбатых китов — движущихся с постоянной скоростью в воздухе или воде, команда обнаружила, что пропульсивные органы животных изгибаются схожим образом на кончике, демонстрируя высоко ограниченный и предсказуемый диапазон характерных движений. (Под постоянным движением понимаются повторяющиеся циклы пропульсивного движения, в отличие от быстрого ускорения или замедления.)

«Нас интересовало, как многие животные используют гибкие края (или кончики) своих пропульсивных органов, потому что мы знаем, что в конструкции медузы-робота пропульсивная эффективность улучшилась на порядки, когда мы добавили пассивный гибкий силиконовый край по краю [колокола медузы]», — говорит Костелло. Вопрос для нас был в том, как и почему гибкость увеличивает тягу? И с инженерной точки зрения, как включить гибкость в конструкцию, чтобы она действительно увеличивала тягу?

Команда обратилась к естественным пропульсивным органам, которые эволюционировали миллионы лет для достижения эффективности конструкции, чтобы получить подсказки для своих моделей. «Мы обнаружили, что способ движения пропульсивных органов — кинематика — кажется, является общим признаком, отобранным у этого широкого спектра животных, а не ключевыми свойствами материалов, такими как перья или чешуя», — говорит Костелло. «Открытие этих унифицированных характеристик изгиба изменило направление нашего поиска понимания преимуществ гибкости в движении».

Ведущий автор статьи, Келси Н. Лукас, была студенткой-бакалавром соавтора Шона Колина из Университета Роджера Уильямса во время исследования, а сейчас является аспирантом Гарвардского университета. Колин также является приглашённым учёным MBL и главным исследователем (вместе с Костелло) проекта ВМС по созданию робота-медузы.

«Летающие и плавающие животные имеют гораздо более низкую стоимость транспортировки (энергии, необходимой для перемещения массы на заданное расстояние), чем существующие искусственные конструкции аналогичного масштаба», — говорит Костелло. «Это часть нашей мотивации для понимания биологического дизайна: животные делают это лучше».