Природа уже давно решила задачу, над которой годами бьются инженеры: создавать аппараты, способные и летать, и нырять под воду. Обыкновенные тупики (пуфины) делают это без малейших усилий. Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) вдохновились этими птицами и создали робота FAAV — летающе-водный аппарат с машущими крыльями.
Аппарат весит меньше 300 граммов, имеет центральный фюзеляж, два гибких крыла и управляемый хвост. В полевых испытаниях на Женевском озере он сначала плыл под водой, а потом, взмахивая крыльями, вырвался на поверхность и улетел в воздух.
«Наша мечта — чтобы океанографы, морские биологи и жители прибрежных районов могли запускать этого робота с лодки или с берега. Он долетит до нужного места — айсберга, портового сооружения или стаи китов, — нырнёт, сделает замеры или возьмёт пробу, а потом вернётся с данными. И всё это за малую долю стоимости традиционных методов», — объясняет Рафаэль Цуффери (Raphael Zufferey), доцент кафедры машиностроения MIT.
Природа подсказала решение
Сначала инженеры думали, что для работы в двух средах роботу понадобится сложная и тяжёлая трансформирующаяся конструкция. Природа показала, что можно обойтись гораздо проще.
Учёные изучили биомеханику зимородков, буревестников и тупиков. Оказалось, что небольшие птицы используют один и тот же механизм взмахов в воздухе и под водой — просто меняют частоту. В воздухе тупик машет крыльями примерно 10 раз в секунду, а под водой снижает частоту до четырёх взмахов.
Команда воспроизвела это поведение с высокой точностью. Робот приводится в движение крошечным водонепроницаемым электромотором и механическим кривошипно-шатунным механизмом. Гибкие крылья с наночастицами он машет с постоянной частотой пять раз в секунду — золотая середина между воздушным и подводным режимами.
Ключ к успеху — именно гибкость крыльев: они должны быть достаточно податливыми, чтобы уменьшать амплитуду взмахов под водой, и одновременно достаточно жёсткими, чтобы держать аппарат в воздухе.
Под водой робот развивает скорость около 1 метра в секунду, в воздухе — до 6 метров в секунду.
Самый сложный момент: как вырваться из воды на поверхность
Переход из воды в воздух оказался самой трудной задачей. Чтобы преодолеть поверхностное натяжение воды, робот должен подходить к поверхности под крутым углом — около 70 градусов.
Если угол будет меньше, вода «прихватит» кончики крыльев. Если круче — аппарат может перевернуться назад и упасть. Интересно, что робот справляется с этим без помощи «лап»: в отличие от настоящих птиц, которые отталкиваются перепончатыми лапами, FAAV использует только размер крыльев, частоту взмахов и угол хвоста.
Где такой робот будет особенно полезен
Сейчас данные об океане и прибрежных зонах собирают в основном с помощью больших исследовательских судов, которые не могут безопасно работать в мелководных рифах или среди льдов. FAAV способен изменить подход: его можно запускать гораздо чаще — хоть каждый час, а не раз в неделю — и отправлять автономно между базой и уязвимыми морскими экосистемами.
В лаборатории AURA Lab в MIT уже работают над следующим поколением робота. Будущие версии получат продвинутые крылья, способные скручиваться и управлять направлением, чтобы лучше справляться с порывистым ветром и волнением у побережья.
Исследование опубликовано в журнале Science.
