Как крылья насекомых выдерживают столкновения, не ломаясь

Крылья пчёл-сборщиц примерно раз в секунду сталкиваются с мелкими препятствиями, такими как цветы, листья или ветки, во время полёта, не получая серьёзных долговременных повреждений. При этом они легко выдерживают аэродинамические нагрузки, хотя эти хрупкие структуры составляют всего 2% от общей массы тела насекомого. Учёные из Зоологического института Кильского университета (CAU) исследуют, как крылья насекомых выдерживают эти разные требования, не ломаясь. В статье в текущем номере журнала Advanced Science они показывают несколько особенностей в структуре крыла, благодаря которым оно одновременно стабильно и гибко и может адаптироваться к разным потребностям. В долгосрочной перспективе эти конструктивные стратегии могут привести к разработке структурных элементов, которые одновременно являются несущими, долговечными и ударопрочными, и позволят различные применения в областях робототехники, авиации или биомедицины.

Три элемента в конструкции крыльев насекомых позволяют гибкую адаптацию

«То, что сейчас волнует инженерное сообщество, насекомые уже усовершенствовали: благодаря особой конструкции их крылья могут принимать разную степень гибкости в зависимости от ситуации», — резюмирует результат исследования профессор Станислав Горб из рабочей группы «Функциональная морфология и биомеханика».

Исследователи из Зоологического института пристально изучили структуру крыльев стрекозы. Впервые они связали три различных структурных элемента крыла с их функцией, которая обеспечивает защиту от столкновений и ветровых нагрузок:

1. Гибкие суставы (joints): Соединяют жилки, позволяя крыльям деформироваться при относительно небольших нагрузках.
2. Механические ограничители (stoppers): Микроскопические шипы рядом с суставами сцепляются при более высоких нагрузках, останавливая деформацию и увеличивая жёсткость для противодействия аэродинамическим нагрузкам.
3. Зоны изгиба (buckling zones): Специальные участки крыла обратимо изгибаются до определённой степени при столкновении с препятствием.

«Благодаря этим трём конструктивным стратегиям насекомые могут изменять характеристики своих крыльев и таким образом выполнять несколько функций одновременно», — говорит аспирант и первый автор исследования Али Кхахеши.

Конструктивные стратегии успешно перенесены на модель самолёта

Чтобы проверить теорию на практике, команда применила эти стратегии к модели самолёта размером 8 × 5 × 1.1 см и весом 3.8 г, напечатанной на 3D-принтере из PLA/PLH-филамента. Испытания на столкновение и свободное падение показали, что крылья с такой конструкцией выживали при столкновениях, в то время как обычные модели ломались.

Дополнительные статические, динамические и усталостные испытания с модифицированными конструкциями (где каждый раз опускалась одна из стратегий) подтвердили, что для достижения наблюдаемых механических характеристик необходима комбинация всех трёх стратегий.

Ключевой момент в том, что эти стратегии уже интегрированы в структуру крыльев и функционируют полностью пассивно, без необходимости сложных систем управления. «Подобные идеи из биологии могут помочь нам создавать технические системы, которые автономно адаптируются к экстремальным или непредвиденным ситуациям — например, в средах, где человек не может активно вмешиваться, как в космических миссиях», — говорит доктор Хамед Раджаби.