Изучение рыбы-призрака поможет инженерам отказаться от пропеллеров в пользу бесшумного движения под водой
Учёные из Океанологического института Северо-Западного политехнического университета в Китае обнаружили, что уникальная манера плавания рыбы под названием чёрная ножетелка (Apteronotus albifrons), обитающей в бассейне Амазонки, может лечь в основу подводных роботов следующего поколения. В отличие от большинства водных обитателей, эта рыба способна скользить вперёд и назад, а также замирать на месте, не изгибая при этом своё тело. Такую манёвренность ей обеспечивает длинный лентообразный плавник, расположенный снизу.
Исследователи изучили 18 живых особей и зафиксировали почти 2000 мгновенных движений с помощью высокоскоростных камер. Результаты, опубликованные в журнале Ocean, детально показывают, как длинный анальный плавник рыбы создаёт тягу и почему этот метод эффективнее традиционных пропеллеров.
В отличие от большинства рыб, которые плавают, изгибая тело, чёрная ножетелка создаёт волны вдоль своего нижнего плавника. Это позволяет ей двигаться без смещения корпуса, что снижает сопротивление воды и даёт возможность рыбе концентрироваться на восприятии окружающей среды через слабые электрические поля. Традиционные плавательные движения мешали бы этой чувствительной навигационной системе.
Плавник чёрной ножетелки эффективен ещё и потому, что рыба может контролировать направление создаваемых волн, отправляя их вперёд, назад или даже в обоих направлениях одновременно. Когда две волны встречаются, они создают узел, который гасит друг друга, позволяя рыбе зависать на месте или разворачиваться без движения тела. Соавтор исследования Йи-Вэй Фань отметил, что поразительной способностью рыбы является сохранение жёсткой позы тела при плавании, что снижает сопротивление и упрощает инженерную задачу создания роботизированных систем.
Используя специализированный метод пространственно-временного Фурье-анализа, команда выяснила, что основным фактором, определяющим скорость плавания рыбы, является частота волн. Соавтор исследования Донг-Янг Чен пояснил, что именно частота волн оказалась самым надёжным предсказателем скорости, в то время как амплитуда и волновое число оставались относительно стабильными в разных условиях плавания. Это говорит о том, что рыба модулирует своё движение, точно настраивая частоту подобно тому, как музыкант регулирует темп.
Кроме того, исследователи заметили, что амплитуда волны вдоль плавника неравномерна: она шире в середине и уже на концах, образуя арку. Большинство существующих роботизированных прототипов используют равномерную конструкцию, что, вероятно, объясняет, почему они не демонстрируют такой же уровень контроля, как чёрная ножетелка. Ведущий автор исследования Зе-Джун Лян подчеркнул, что большинство биоинспирированных конструкций с волнообразными плавниками до сих пор опирались на идеализированные прямоугольные формы и волны постоянной амплитуды, тогда как реальные биологические системы гораздо сложнее. Внедрение выявленных морфологических и кинематических взаимосвязей, по мнению учёных, значительно улучшит эффективность и манёвренность роботизированных двигателей.
Данное исследование вносит вклад в область биомимикрии, где инженеры совершенствуют конструкции, изучая биологические системы, оптимизированные эволюцией. В подводной робототехнике животные вроде скатов и кальмаров уже вдохновили новые разработки, однако чёрная ножетелка выделяется тем, что использует для тяги, стабильности, зависания и управления всего один плавник. Это может помочь решить проблему, с которой инженеры всё ещё пытаются справиться. Как отметил ответственный корреспондент Пэн Сюй, традиционные системы с пропеллерами испытывают трудности с манёвренностью и стабильностью на низких скоростях в сложных условиях. В отличие от них, чёрная ножетелка достигает точного контроля благодаря волнообразным движениям своего гибкого удлинённого анального плавника.
Теперь команда планирует использовать полученные данные для разработки алгоритмов управления и тестирования прототипов в реальных водных средах. Конечная цель учёных — создать подводный аппарат, который сравняется по эффективности и ловкости с чёрной ножетелкой, что откроет новые возможности для инспекции, исследования и поисково-спасательных миссий в сложных подводных условиях, где традиционные пропеллеры оказываются неэффективными.
Исследование в журнале Ocean.