Плодовые мушки используют корректирующие движения для сохранения устойчивости после травмы

Исследователи обнаружили, что плодовые мушки (Drosophila) могут быстро компенсировать катастрофические повреждения крыльев, сохраняя прежнюю устойчивость полета даже после потери до 40% площади крыла. Это открытие может помочь в проектировании адаптивных роботов, которые сталкиваются с аналогичной задачей быстрой адаптации к поломкам в полевых условиях.

Команда под руководством учёных из Университета штата Пенсильвания (Penn State) опубликовала результаты в журнале Science Advances.

В эксперименте исследователи укорачивали крылья анестезированным мушкам, имитируя травму. Затем мушек помещали в кольцо виртуальной реальности. Проигрывая на крошечных экранах кольца визуальные образы, имитирующие полёт, учёные заставляли мушек двигаться, как при полёте.

Как мушки компенсируют повреждения

• Механизм: Мушки компенсируют травму, сильнее взмахивая повреждённым крылом и снижая скорость взмаха здорового.
• Регуляция: Это достигается за счёт модуляции сигналов в их нервной системе, что позволяет тонко настраивать полёт даже после травмы.
• Цель — устойчивость: Усиленно взмахивая повреждённым крылом, мушки жертвуют незначительным снижением общей производительности полёта, чтобы сохранить устойчивость, активно увеличивая демпфирование (затухание колебаний).

Важность устойчивости

Соавтор Бо Ченг отметил, что для лётных характеристик устойчивость важнее мощности. При повреждении крыла страдают и производительность, и устойчивость, но мушки используют «внутренний регулятор», увеличивающий демпфирование для сохранения нужной устойчивости, даже если это ещё больше снижает производительность. Исследования показывают, что именно стабильность, а не необходимая мощность, ограничивает манёвренность мух.

Сложность биологической системы

Работа показывает, что плодовые мушки, имея всего около 200 000 нейронов (против ~100 миллиардов у человека), используют сложную и гибкую систему моторного контроля для адаптации и выживания после травмы. Соответствующий автор Жан-Мишель Монго заявил, что сложность, обнаруженная у мух, не имеет аналогов в существующих инженерных системах, и инженерам ещё далеко до её воспроизведения.

Применение в робототехнике

• Адаптивные роботы: Летающие насекомые могут вдохновить на создание машущих роботов и дронов, способных разумно реагировать на физические повреждения.
• Примеры: Дрон, компенсирующий отказ двигателя в полёте, или шагающий робот, который может полагаться на другие ноги, если одна вышла из строя.

Физическая модель для изучения механизма

Для изучения механизма компенсации сотрудники Университета Колорадо в Боулдере создали роботизированный прототип механического крыла, близкого по размеру и функции к крылу мушки. Исследователи подрезали механическое крыло, повторив эксперименты Penn State, и изучили взаимодействия крыла с воздухом.

Соавтор Каушик Джаярам объяснил, что физическая модель, в отличие от математической, взаимодействует с миром в соответствии с законами физики, как и мушка, и захватывает сложности взаимодействия крыла и воздуха, которые ещё не до конца понятны.