Биотехники создают новое поколение беспилотников

Мелкие птицы и насекомые держатся в воздухе за счет подъемной силы, создаваемой очень быстрыми взмахами крыльев. Им не ведомы парение, пикирование и воздушные пируэты, доступное крупным пернатым и авиации. Биотехники понимают, что создание маленьких летательных аппаратов возможно лишь при копировании подобных телодвижений. Именно поэтому во многих лабораториях мира идет исследование летных свойств этих созданий

Вместе с недостатками, подобный вид полета дает огромные преимущества в маневрировании. Способность птиц и насекомых зависать над цветком или фруктом и оставаться на месте продолжительное время могла бы пригодиться при конструировании беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). А если добавить к этому способность совершать любые развороты на месте, то необходимость проникновения в тайну такого полета становится просто необходимой.

Используя технологии высокоскоростной записи видео, биоинженеры пытаются реконструировать движения крыльев колибри и бабочки-бражника. Они смогли установить, что в основе полета этих созданий лежит асимметричные взмахи, создающую медленную циркуляцию воздуха.

Воссозданная учеными модель помогла также уяснить принципы, позволяющие птицам разворачиваться на полной скорости. «Птицы используют простейшую и очень показательную систему торможения, в которой сила, применяемая для остановки, увеличивается пропорционально начальной скорости движения», - рассказывает Тай Хендрик, занимающийся аэродинамикой животных в Университете Северной Каролины.

Ученым удалось приподнять завесу тайны, окружающей физиологические способности птиц к полету. Они исследовали все летательные органы – от скелета крыльев колибри до воздушных крылышек стрекоз, и пришли к выводу, что не существует универсального способа перемещения. Все наблюдаемые биотехниками полеты базировались на различных технологиях или непохожих друг на друга вариациях одного базового принципа.

Эта разница является результатом эволюционного процесса, начавшегося еще 150 млн лет назад, когда динозавры впервые поднялись в воздух. Исследования Хендрика позволили реконструировать механизм полета доисторических созданий, так что комплекс исследований внес немалый вклад и в палеонтологию.

Команда Хендрика использовала камеры, способные записывать видео со скоростью 1000 кадров с секунду.

С их помощью снимался процесс кормления колибри и бражниц, когда эти существа зависали в воздухе перед цветком. Исследования показали, что для удержания в воздухе движения крыльев различаются по скорости в разных тактах полета. Так, одно крыло всегда двигается быстрее, опускаясь вниз, в то время как второе ускоряется при направлении вверх. Эта асинхронность и лежит в основе свойственных колибри «зависаний».

Этот же принцип использует летающими животными для торможения – подобная асинхронность ведет к резкой потери скорости, что позволяет быстро совершать воздушные маневры. «В тот момент, когда наши испытуемые прекращали симметричные взмахи крыльев, их тело целиком превращается в тормоз», - объясняет Тай Хендрик.

Сопоставление полученных фактов, а также результатов моделирования аэродинамики для летучих мышей и фруктовых мушек, показало, что вне зависимости от размера тела эти существа совершают одинаковое количество взмахов при выполнении одинаковых поворотов. Единственные факторы, имеющие значение в подобной ситуации, – форма туловища и скорость взмахов крыльями.

Побочным эффектов эволюции полета стало появление в нервной системе летунов специального органа равновесия. Он умеет моментально перерассчитывать и перераспределять мышечную нагрузку, что позволяет птицам проявлять чудеса эквилибристики и удерживать на месте даже при сильных порывах ветра.

Исследования Тая Хендрика и его коллег легли в основу библиотеки данных о летных свойствах малых птиц и насекомых. Собранные материалы будут открыты для доступа всем инженерам и ученых, которым требуется такая информация. Биоинженеры уверены – все эти данные окажутся полезными при конструировании миниатюрных БПЛА.

Автономные роботы в первую очередь востребованы в вооруженных силах, где для них уже забронирована вакансия разведчиков, способных обнаруживать противника и корректировать вводные для артиллерийского огня. Кроме того, они пригодятся везде, где необходимо произвести разведку без участия человека – в непроходимых джунглях, над очагами лесных пожаров и в зонах радиоактивного заражения.

Сам Хендрик не уверен, что инженерам удастся в ближайшее время создать летающих роботов, использующих механизм полета колибри: «Животные легко и грациозно делают то, что мы даже не может эмулировать. Перед нами стоит очень сложная задача воспроизвести гениальное творение природы в технологиях летающих роботов».