Создано искусственное крыло летучей мыши
Ученые создали искусственное крыло летучей мыши. Теперь они знают, как животное управляет полетом и надеются создать мышь-самолет. Изучение крыла-робота в аэродинамической трубе в этом смысле эффективнее, чем изучение реального животного.
Исследователи из Университета Брауна создали искусственное крыло летучей мыши. Работа, в которой рассказывается о создании крыла-робота, которое прекрасно моделирует маховое движение при полете млекопитающего и дает новую ценную информацию о механизме полета, опубликована в журнале Bioinspiration and Biomimetics.
Робот повторяет форму и движения крыла малайского коротконосого крылана - растительноядного вида крыланов, распространенного 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 определенный 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 стеклоподъемников 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 летучий 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, и 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 кремнесодержащего полимера, а суставы - это сервомоторы. Модель, однако, несколько упрощена и неполностью 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.
Александра Борисова