Это исследование восполняет недостающее звено между тем, как животные эволюционировали, чтобы летать, и тем, как мы, наконец, сможем создавать роботов, способных на то же самое.
Исследователи из Корнельского университета разработали трехмерную вычислительную модель, которая расшифровывает сложные физические принципы, лежащие в основе стабильного полета насекомых и птиц.
Это исследование восполняет недостающее звено между тем, как животные эволюционировали, чтобы летать, и тем, как мы, наконец, сможем создавать роботов, способных на то же самое.
В частности, команда выявила пять ключевых физических параметров «пассивной стабильности», которые могут изменить как биологию, так и робототехнику.
Размеры полета
Долгое время считалось, что большинство насекомых по своей природе неустойчивы и нуждаются в постоянной нейронной коррекции, чтобы оставаться в воздухе.
Однако эта новая модель выявила антирезонансное состояние — математическую «оптимальную точку», где связь инерции крыла и движения тела позволяет животному автоматически сохранять устойчивость даже во время турбулентности воздуха. Это говорит о том, что пассивная устойчивость в природе встречается гораздо чаще, чем считалось ранее.
Новая модель преодолела ограничения предыдущих, которые лишь имитировали реальных насекомых. Она позволяет исследовать широкий спектр теоретических конфигураций крыльев и тела.
Для упрощения сложной динамики полета исследователи свели свои трехмерные симуляции к оптимизированной модели, сфокусированной на пяти основных переменных: соотношении массы крыла к массе фюзеляжа, удельной нагрузке на крыло, расположении шарниров, частоте взмахов и амплитуде движения закрылков.
Эти параметры определяют «пятимерное пространство», которое отражает существенное взаимодействие между физической формой летающего объекта и его движением.
«Сила этой модели заключается в том, что она дает нам нечто гораздо более наглядное, чем то, что у нас было раньше. Мы знали фундаментальные физические принципы. Благодаря тому, что в новой модели отражены основные физические принципы, мы можем понять каждый их элемент концептуально, а также упростить вычисления для исследования обширного пространства параметров», — сказала З. Джейн Ван, профессор физики, машиностроения и аэрокосмической техники в Колледже искусств и наук и Инженерном колледже Даффилда Корнельского университета.
Роботы будущего
Анализ данных о полете в пяти измерениях позволил получить две формулы, определяющие оптимальное состояние устойчивости, известное как антирезонанс. Это состояние основано на точном балансе между инерцией крыла и массой тела, что позволяет животным достигать пассивной устойчивости.
Овладев этим взаимодействием частоты и физических пропорций, пилоты могут автоматически противодействовать турбулентности воздуха и поддерживать устойчивый полет без постоянной активной коррекции.
«Внезапно мы обнаружили, что многие формы машущего полета обладают пассивной устойчивостью, что поначалу нас удивило, поскольку проведенные до сих пор исследования показали, что большинство насекомых, за исключением одного-двух видов, пассивно неустойчивы, отсюда и необходимость нейронных цепей для их управления», — сказал Ван.
«Но когда мы расширили морфологическое пространство, мы поняли, что то, что мы изучали раньше, — это лишь несколько точек в этом новом ракурсе», — добавил ведущий исследователь.
Теперь инженеры могут проектировать роботов с машущими крыльями, предварительно настроенных на устойчивость. Это снижает потребность в сложных и громоздких датчиках обратной связи и процессорах, упрощая проектирование маневренных микро-дронов.
Помимо робототехники, эта упрощенная модель предлагает более быстрый вычислительный метод для классификации крылатых видов и построения эволюционного пути развития летных характеристик в природе. Она может помочь понять, почему определенные формы крыльев или частота их появления были отобраны за миллионы лет.
«В процессе эволюции происходит отбор различных признаков, но мы мало что знаем о том, какие именно, не говоря уже о том, чтобы понять, почему они отбираются и как эволюционируют, за исключением очень немногих примеров, таких как глаз», — сказал Ван.
Данное исследование предоставляет количественную основу для решения самых сложных загадок биологической эволюции и робототехники.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Sourse: interestingengineering.com
