Природа миллионы лет совершенствовала способы передвижения в воде, и теперь инженеры пытаются воспользоваться ее наработками. Исследователи из Корнеллского университета обратили внимание на необычного обитателя глубокого океана — сельдяного короля, или гигантского ремнетела, которого из-за его загадочного вида иногда называют «рыбой Судного дня».
Эта длинная лентаобразная рыба способна двигаться в воде практически без заметного изгибания тела. Вместо хвоста она использует непрерывную спинную плавниковую ленту, создавая волны движения вдоль всего тела. Такой механизм может стать основой для нового поколения бесшумных подводных роботов, предназначенных для наблюдения за океаном.
Почему обычные подводные аппараты мешают наблюдениям
Подводный мир гораздо чувствительнее к шуму, чем может показаться. Винты традиционных подводных аппаратов создают акустический шум, который распространяется в воде на большие расстояния. Для наблюдений за морскими животными это серьезная проблема: аппарат, который должен изучать естественное поведение обитателей океана, способен сам изменить его одним своим появлением.
Профессор Корнеллского университета Роб Шепард (Rob Shepherd) хотел создать крупного подводного робота, который мог бы продолжительное время следить за состоянием морской среды, не пугая животных. Идеальным образцом оказалась рыба, которая буквально скользит сквозь воду, почти не меняя положения своего тела.
Но как именно ей это удается?
Как плавает «рыба Судного дня»
Сельдяной король — самая длинная из ныне живущих костных рыб. Отдельные особи могут достигать примерно 8 метров в длину. Несмотря на впечатляющие размеры, рыба способна перемещаться за счет одного длинного спинного плавника.
У большинства длиннотелых рыб движение создается изгибами всего тела — примерно так плавает угорь. Сельдяной король использует принципиально другую механику: его тело остается почти неподвижным, а по плавнику проходят волны, которые создают тягу.
Чтобы разобраться в этом механизме, Шепард объединился с бывшим ихтиологом Корнеллского университета Уилли Бемисом (Willy Bemis). Исследователям пришлось буквально реконструировать внутреннее устройство рыбы: после смерти ее тело быстро распадается на хрупкие сегменты, поэтому изучать живую анатомию напрямую чрезвычайно сложно.
Команда использовала компьютерную томографию, рентгеновские снимки Смитсоновского института и детальные анатомические исследования. В результате ученые обнаружили необычную конструкцию, скрытую под кожей рыбы.
«Джойстики» вдоль спины
Вдоль спинного плавника расположены сотни костеподобных лучей. Каждый из них соединен со специальным шаровидным суставом и напоминает крошечный джойстик.
Каждый сегмент имеет собственные мышцы и хрящевые структуры, благодаря чему отдельные лучи способны вращаться примерно на 360 градусов. Это дает рыбе необычайно точный контроль над плавником.
Представьте длинную гибкую ленту, состоящую из сотен независимых микромеханизмов. Каждый может немного изменить свое положение, а все вместе они формируют сложную движущуюся волну. Именно такой принцип позволяет сельдяному королю одновременно создавать разные направления волн вдоль плавника.
Благодаря этому рыба способна быстро менять скорость и направление движения, практически не изгибая основной корпус.
Исследователи отмечают, что похожий способ движения с помощью лентовидного плавника независимо возникал у костных рыб примерно десять раз в ходе эволюции. Однако именно у сельдяного короля впервые удалось подробно описать вращательные, похожие на джойстики лучи плавника.
Как биология превращается в технологию
Теперь обнаруженный механизм пытаются перенести в робототехнику.
Команда Шепарда разрабатывает крупный подводный робот, способный передвигаться благодаря гибкому плавнику, повторяющему принцип работы спинного плавника сельдяного короля. В отличие от обычного винта такой движитель должен создавать более плавное течение воды и значительно уменьшать шум.
Здесь важен не только вопрос тишины. Плавное движение может позволить аппарату дольше работать в океане и эффективнее наблюдать за животными, которые реагируют на резкие звуки или появление традиционных подводных аппаратов.
По сути, инженеры хотят сделать машину, которая будет вести себя в воде скорее как живое существо, чем как миниатюрная подводная лодка.
Такой подход называют биомиметикой — созданием технологий по образцу природных механизмов. Эволюция уже миллионы лет экспериментировала с формами движения, распределением нагрузки и эффективностью использования энергии. Почему бы инженерам не воспользоваться результатами этого эксперимента?
Для чего нужны бесшумные подводные роботы
Основное назначение новой системы — длительный мониторинг океана и его обитателей. Робот сможет перемещаться среди животных, наблюдать за их поведением и изучать состояние экосистем, стараясь при этом не менять окружающую среду своим присутствием.
Это особенно важно для хрупких морских экосистем, где даже обычное движение аппарата может спугнуть животных или нарушить их естественное поведение.
Кроме того, технология потенциально может пригодиться для подводного картографирования и других продолжительных наблюдений. Чем меньше энергии требуется для движения и чем тише работает аппарат, тем дольше он способен оставаться в воде и тем меньше влияет на объект исследования.
Похожий принцип уже используется в других биомиметических проектах. Например, инженеры создавали роботов, имитирующих движения рыб, чтобы повысить эффективность подводного движения. Но сельдяной король предлагает особенно интересную конструкцию: вместо одного крупного движителя можно использовать множество независимо управляемых элементов, объединенных в единую гибкую поверхность.
Природа как конструктор для роботов
История с сельдяным королем — лишь один пример того, как биология помогает решать инженерные задачи.
Исследователи уже копировали способность гекконов цепляться за гладкие поверхности, создавая роботов с искусственными аналогами микроскопических волосков на лапах. Такие структуры используют силы Ван-дер-Ваальса и позволяют надежно удерживаться на стекле и других гладких поверхностях без клея или присосок.
В случае с «рыбой Судного дня» инженеров заинтересовала другая природная особенность — возможность создавать тягу с помощью гибкой поверхности и одновременно очень точно управлять формой движущей волны.
Если эту механику удастся надежно воспроизвести в машине, океан получит нового наблюдателя: крупного, автономного и настолько тихого, чтобы морские животные могли практически не замечать его присутствия.
Пока это исследовательский проект, а не готовая замена традиционным подводным аппаратам. Но сама идея показывает, насколько необычные инженерные решения иногда скрываются в организмах, которые на первый взгляд кажутся совершенно неприспособленными для создания высокотехнологичных машин. Исследование опубликовано в журнале Ichthyology and Herpetology.
