Робот, способный плавать и нырять словно птица, а затем вновь подниматься в воздух, на первый взгляд кажется сочетанием двух отдельных устройств, объединенных в одну конструкцию.
Однако исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали машину, которая выполняет обе задачи с помощью одной пары машущих крыльев.
В природе подобный принцип давно существует. Около ста видов птиц свободно перемещаются между водой и воздухом: они ныряют за добычей, а затем практически сразу вновь взлетают. Разработанный учеными робот массой всего 250 граммов стал, по их словам, первой машиной птичьего масштаба, способной выполнить весь этот цикл — плавание, погружение, выход из воды и полет — исключительно за счет взмахов крыльев.
Добиться этого оказалось значительно сложнее, чем может показаться. Вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, поэтому большинство подобных аппаратов вынуждены использовать разные механизмы для работы в каждой среде.
Секрет новой разработки заключается в двух инженерных решениях. Во-первых, робот оснащен гибкими крыльями, а во-вторых, система точно регулирует частоту их взмахов при переходе между водой и воздухом. Под водой крылья пассивно изгибаются почти на 90%, снижая нагрузку на двигатель и уменьшая амплитуду каждого взмаха. В воздухе они работают с частотой до 11 герц, тогда как под водой этот показатель варьируется от 0,1 до шести герц. Еще одна важная особенность — нейтральная плавучесть. Робот не всплывает и не тонет самостоятельно, благодаря чему не расходует драгоценную энергию аккумулятора на постоянную борьбу с силой Архимеда.
Однако плавание и полет — лишь часть задачи. Самым сложным этапом стал момент выхода из воды. Именно этот переход до сих пор оставался непреодолимым препятствием для роботов такого размера. Машине необходимо буквально вытолкнуть себя из воды, используя только крылья. Малейшая ошибка в этот момент делает весь концепт неработоспособным.
Разработанный аппарат справляется с этой задачей менее чем за одну секунду, совершая от восьми до десяти взмахов крыльями. Правда, это возможно лишь при соблюдении строго определенных условий. Крылья должны обладать средней жесткостью — не быть ни слишком гибкими, ни чрезмерно твердыми. Хвост должен быть коротким и располагаться близко к корпусу, а угол выхода из воды — составлять около 70 градусов. Если угол слишком мал, хвост начинает тормозить движение. Если же он слишком велик, робот теряет устойчивость, переворачивается и падает обратно в воду.
Помимо инженерной ценности, устройство представляет собой удобную экспериментальную модель для изучения поведения настоящих птиц. Авторы предполагают, что сокращение размаха крыльев под водой необходимо птицам не столько для экономии энергии, сколько для увеличения скорости движения. Проверить такую гипотезу на живых животных крайне сложно, тогда как робот позволяет проводить подобные исследования в полностью контролируемых условиях.
В перспективе подобные аппараты могут использоваться для экологического мониторинга: исследования озер, рек, морских побережий и океанических экосистем. По сути, речь идет об амфибийном беспилотнике, сочетающем возможности летающего и подводного аппарата.
Автор: Николай Головин