Жук-вертячка: самый быстрый пловец среди насекомых вдохновит на создание беспилотных лодок
Согласно новому исследованию Корнеллского университета, жуки-вертячки, самые быстрые пловцы среди насекомых, достигают удивительной скорости, используя стратегию, характерную для быстрых морских млекопитающих и водоплавающих птиц. Это открытие опровергает прежние объяснения задействованной физики.
Жуки длиной в сантиметр могут достигать пикового ускорения в 100 метров в секунду и максимальной скорости в 100 длин тела в секунду (или один метр в секунду).
Результаты не только объясняют олимпийские скорости вертячек, но и предлагают ценные идеи для биоинспирированных разработчиков роботов и беспилотных лодок, работающих у поверхности воды.
До сих пор исследователи считали, что вертячки достигают впечатляющих скоростей с помощью системы движения, основанной на силе сопротивления (drag-based thrust). Этот тип тяги требует, чтобы ноги насекомого двигались быстрее скорости плавания, чтобы вообще создавать тягу. Для достижения таких скоростей ноги жука должны были бы отталкиваться от воды с нереалистичной скоростью.
«Это вполне можно было поставить под сомнение, — сказал Крис Ро, доцент кафедры биологической и экологической инженерии. — Обычно "самый быстрый пловец" и "тяга на основе сопротивления" не встречаются в одном предложении».
На самом деле, быстро плавающие морские млекопитающие и водоплавающие птицы склонны отказываться от тяги на основе сопротивления в пользу тяги на основе подъёмной силы (lift-based thrust), другой системы движения. Это открытие описано в исследовании, опубликованном 8 января в журнале Current Biology.
Используя две высокоскоростные камеры, синхронизированные под разными углами, исследователи смогли снять вертячку и наблюдать механизм тяги на основе подъёмной силы. Этот принцип работает как пропеллер: толкающее движение перпендикулярно поверхности воды, что устраняет сопротивление и позволяет добиться более эффективного импульса, способного обеспечить большую скорость.
«В биологии сложно вращать части тела, — объяснил Ро. — Мы — машины, основанные на сокращении. Можно сказать, что ноги жука-вертячки — это частичный пропеллер, который вращается под определённым углом, а затем они складываются, прежде чем вернуться в исходное положение и снова частично провернуться».
На основе данных о скорости движения ног и тела, полученных с двух синхронизированных камер, а также с помощью аэродинамических расчётов, Юкунь Сун определил, что тяга на основе подъёмной силы обеспечивает большую часть силы, необходимой для быстрого движения вертячки.
«Это не так уж отличается от слегка наклонённого крыла самолёта, — сказал Ро. — Этот угол атаки позволяет ему фактически создавать подъёмную силу».
Тяга на основе подъёмной силы ранее была идентифицирована у крупных организмов, таких как киты, дельфины и морские львы. «В этой работе мы уменьшили масштаб длины до одного сантиметра, что означает, что жуки-вертячки — безусловно, самые маленькие организмы, использующие тягу на основе подъёмной силы для плавания», — сказал Юкунь Сун, аспирант лаборатории Ро и первый автор статьи.
«Мы надеемся, что это исследование обратит внимание сообществ биоинспирированной робототехники и инженерии: сначала нужно определить правильную физику, а затем попытаться сохранить эту физику при создании роботов», — отметил Ро.
ВМС США разрабатывают беспилотные лодки, поскольку традиционное проектирование кораблей ограничено необходимостью создавать условия для экипажа. Убрав экипаж, лодки могут стать намного меньше и гибче. Ро считает, что небольшой размер, корабельная форма и механизм движения, создающий подъёмную силу, у вертячек хорошо подходят для использования в проектировании роботизированных судов.