Ученые разработали трехмерную вычислительную модель, которая раскрывает сложные физические механизмы, лежащие в основе стабильного полета насекомых и птиц. Это открытие поможет разрабатывать биомиметических летающих роботов, устойчивых к турбулентности без сложных систем управления.
Исследование позволяет установить недостающее звено между тем, как животные научились летать, и тем, как наконец можно будет создавать биомиметических летающих роботов — аппаратов, копирующих биологические принципы движения. Команда определила пять ключевых физических параметров пассивной стабильности, которые способны изменить представление как о биологии, так и о робототехнике.
Долгое время считалось, что большинство насекомых по своей природе нестабильны и для поддержания полета им требуется постоянная нервная коррекция. Однако новая модель выявила антирезонансное состояние — математическую «золотую середину», при которой сочетание инерции крыла и движения тела позволяет животному сохранять устойчивость даже во время воздушной турбулентности. Это позволяет предположить, что пассивная устойчивость встречается в природе гораздо чаще, чем предполагалось ранее.
Новая модель преодолела ограничения предыдущих, которые лишь имитировали реальных насекомых, и позволяет исследовать широкий спектр теоретических конфигураций крыльев и тела. Чтобы упростить сложную динамику полета, исследователи свели результаты трехмерного моделирования к упрощенной системе с пятью основными переменными: отношение массы крыла к массе тела, нагрузка на крыло, расположение шарниров, частота взмахов и амплитуда закрылков. Эти параметры определяют пространство, в котором отражается взаимосвязь между физической формой летательного аппарата и его движением.
Анализ данных о полете позволил вывести две формулы, определяющие оптимальное состояние для сохранения устойчивости — антирезонанс, который достигается за счет точного баланса между инерцией крыла и массой тела. Научившись управлять этим взаимодействием частоты и физических пропорций, летающие аппараты смогут автоматически преодолевать турбулентность воздуха и поддерживать стабильный полет без постоянной активной коррекции. Благодаря этому модель поможет создать биомиметических летающих роботов, которые изначально настроены на устойчивость, что снижает потребность в сложных и тяжелых датчиках и процессорах с обратной связью и упрощает конструкцию маневренных микродронов.
Помимо робототехники, эта модель предлагает более быстрый вычислительный метод для классификации крылатых видов и определения эволюционного пути развития летательных способностей в природе, помогая понять, почему на протяжении миллионов лет отбирались те или иные формы и частоты взмахов крыльев.
Читайте также: «AltoVolo представила прототип летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой».