Крошечные мышцы помогают летучим мышам тонко настраивать полёт и укреплять кожу крыла
Согласно новому исследованию, летучие мыши, по-видимому, используют сеть тонких, как волос, мышц в коже крыла для контроля жёсткости и формы крыльев во время полёта. Это открытие даёт новое представление об аэродинамической тонкой настройке мембранных крыльев, как естественных, так и искусственных.
Исследователи из Университета Брауна сообщают, что летучие мыши используют сеть почти волосовидных мышц, встроенных в мембрану их изначально гибкой кожи крыла, чтобы регулировать жёсткость и кривизну крыльев во время полёта. У птиц и насекомых крылья жёсткие, но новые данные свидетельствуют о том, что летучие мыши эволюционировали этот мышечный механизм для сохранения или корректировки формы крыла.
"Аэродинамические характеристики зависят от формы крыла. Форма мембранного крыла может изначально быть плоской, но как только оно начинает создавать подъёмную силу, оно не останется плоским, потому что должно деформироваться в ответ на эту аэродинамическую нагрузку. Принятая им форма может быть ужасной — привести к падению животного — или полезной. Но они не заперты в этой форме. Поскольку у летучих мышей есть эти мышцы в крыльях, а также кости, которые могут контролировать общую форму, они могут принимать любое количество профилей", — сказал ведущий автор исследования Джорн Чейни.
Измерения мембранных мышц
Эксперименты были направлены на изучение функции крошечных мышц, известных как plagiopatagiales. Чейни прикрепил электродные датчики к нескольким мышцам на крыльях ямайских фруктовых летучих мышей и снимал их на видео во время полёта в аэродинамической трубе лаборатории.
Из данных выделились три ключевых вывода, указывающих на то, что plagiopatagiales модулируют жёсткость кожи:
- Активация и расслабление мышц следует чёткой схеме во время полёта: они напрягаются на взмахе вниз и расслабляются на взмахе вверх.
- Мышцы действуют не по отдельности, а синхронно, обеспечивая достаточную коллективную силу для укрепления крыла.
- Мышцы активируются с разным временем на разных скоростях полёта. При увеличении скорости летучие мыши напрягали мышцы раньше в цикле взмаха.
Данные свидетельствуют о том, что мышцы ведут себя не пассивно, а активно и коллективно в соответствии с условиями полёта. Однако это не исключает того, что мышцы также выполняют сенсорную функцию.
Технологическое понимание
Исследование является частью более крупной программы, в рамках которой команда использует биологию для вдохновения инженерии и наоборот. Параллельно с изучением реальных летучих мышей команда создала роботизированное крыло летучей мыши, которое включает их биологические наблюдения.
В отдельной статье в том же выпуске Bioinspiration and Biomimetics сообщается, как изменялись энергетические затраты и аэродинамические силы при варьировании нескольких кинематических параметров в роботизированном крыле. Было обнаружено, что для создания заданной силы, такой как подъёмная, каждый из нескольких параметров требует примерно одинакового количества энергии, но время и степень складывания крыла значительно меняют соотношение между подъёмной силой и мощностью.
"Когда пытаешься построить инженерное летательное средство, нужно контролировать его аэродинамические свойства. Это ещё одна ручка настройки, которую мы теперь можем повернуть. Возможность использовать эти мембранные крылья и контролировать их свойства так, как это, мы подозреваем, делают летучие мыши с помощью этих мышц, — это отличная возможность для биоимитирующих систем", — сказал соавтор Кеннет Бройер.
Группа готовит к публикации статью, показывающую, что контроль натяжения мембраны таким способом управляет аэродинамическими свойствами.