Разработка инженеров Массачусетского технологического института (MIT) может привести к появлению нового класса воздушно-водных аппаратов для исследования океана.
Гагары, чайки, тупики и буревестники — вот лишь некоторые из 100 видов птиц, способных и летать, и плавать. Эти ныряющие птицы могут погружаться в воду, чтобы догнать добычу, а затем взмывать в воздух и улетать.
Вдохновившись этими природными «водными летунами», инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) и Швейцарской федеральной политехнической школы в Лозанне (EPFL) разработали робота, который может плавать под водой, а затем, взмахивая крыльями, выныривать из воды и продолжать полёт в воздухе, подобно ныряющим птицам.
«Воздушно-водный аппарат с маховыми крыльями» (FAAV) весит менее 300 граммов и предназначен для того, чтобы помочь учёным изучить механизмы, позволяющие ныряющим птицам летать в воздухе и плавать в воде.
Робот состоит из центрального корпуса (фюзеляжа), двух гибких машущих крыльев и управляемого хвоста. Крылья и хвост можно заменять на детали других размеров. В ходе экспериментов, проведённых в водяном резервуаре и на местном озере, инженеры определили комбинации размера крыльев, частоты взмахов и угла наклона хвоста, которые позволяют роботу плавно переходить от плавания в воде к выходу на поверхность и дальнейшему полёту в воздухе.
Их результаты, опубликованные в журнале Science, могут помочь учёным понять, как ныряющие птицы адаптируют механику своего полёта для перемещения в воздухе и воде — средах с совершенно разными физическими свойствами. Эта конструкция также может положить начало новому классу воздушно-водных дронов и аппаратов. Исследователи предполагают, что такие крылатые роботы можно будет использовать в океанографии для полёта к водным районам и отбора проб оттуда, доступ к которым для традиционных океанических судов был бы слишком опасен.
«Мы мечтаем, чтобы океанографы, морские биологи и жители прибрежных сообществ могли запускать этого робота с лодки или с берега, и он летел бы в непосредственной близости от интересующего объекта, такого как айсберг, портовые сооружения или стая китов, — говорит Рафаэль Зуфферей, доцент кафедры машиностроения MIT. — Он погрузится в воду, чтобы провести измерения или собрать пробу, а затем вернётся, чтобы передать данные, причём затраты на это составят лишь небольшую часть от стоимости традиционных методов. После этого он сможет снова вылететь и погрузиться за новыми пробами».
Зуфферей является ведущим автором нового исследования, в котором также участвуют соавторы из Швейцарской федеральной политехнической школы (EPFL) и Северо-Западного индейского колледжа в Беллингеме, штат Вашингтон.
Механика полёта
В MIT Зуфферей возглавляет лабораторию AURA, где он и его студенты разрабатывают воздушные и водные аппараты, вдохновлённые биомеханикой природы. Создаваемые ими роботы небольшие по размеру и предназначены для незаметного исследования и мониторинга состояния океанов и водоёмов.
В рамках своей новой работы команда поставила перед собой цель разработать аппарат, способный летать в воздухе и плавать под водой. Такой аппарат должен был бы приспосабливаться к двум совершенно разным средам и переходить из одной в другую. Плотность воды в 1000 раз выше, чем у воздуха, и для передвижения в той или иной среде требуются совершенно разные механизмы. По крайней мере, так можно было бы предположить.
«Чтобы такой переход сработал, нужна определённая адаптация. Но в природе уже существует готовое решение, — говорит Зуфферей. — Такие птицы, как тупики, могут очень быстро летать в воздухе, а также нырять и плавать в воде со скоростью 3 м/с. Они способны на удивительные вещи. Поэтому мы знали, что это возможно. Просто никто ещё не пробовал реализовать это в мобильной робототехнической системе».
Чтобы понять, как летают ныряющие птицы, команда изучила научную литературу и собрала доступные данные о тупиках, буревестниках, зимородках и других ныряющих птицах. Они заметили, что мелкие птицы машут крыльями примерно 10 раз в секунду при полёте в воздухе и около четырёх раз в секунду при плавании в воде. У более крупных птиц частота взмахов крыльями как в воздухе, так и в воде немного ниже из-за большего размаха крыльев.
Учитывая биомеханику птиц, команда разработала крылатого робота, способного махать крыльями с частотой, аналогичной частоте махов настоящих ныряющих птиц.
Прорыв в разработке
Новый робот внешне напоминает птицу: у него есть туловище, два крыла и хвост. Внутри туловища размещены аккумулятор и водонепроницаемый электродвигатель, приводящий в движение коленчатый вал, который, в свою очередь, заставляет крылья подниматься и опускаться с заданной частотой. Крылья изготовлены из тонких мембран, покрытых гидрофобными наночастицами, которые способствуют отводу воды. Хвост оснащён двигателем, что позволяет ему изменять угол наклона, помогая роботу подниматься вверх или пикировать вниз.
Крылья можно заменять на комплекты других размеров. Исследователи изготовили и испытали три комплекта крыльев: малые (шириной 60 см), средние (80 см) и большие (100 см). Эксперименты проводились сначала в небольшом резервуаре с водой, а затем на Женевском озере в Швейцарии.
В ходе испытаний робот помещался под воду, примерно на полметра ниже поверхности. Крылья были запрограммированы на махание с определённой частотой, а хвост — на наклон под определёнными углами на протяжении всего полёта. Затем исследователи наблюдали, при каких условиях робот успешно поднимался к поверхности, выходил из воды и взлетал в воздух.
Робот совершил несколько полётов с крыльями разного размера, различной частотой взмахов и разными углами наклона хвоста. В целом команда обнаружила, что робот способен надёжно летать, плавать и переходить из воды в воздух, когда летает с крыльями среднего размера. Гибкость крыльев играет ключевую роль: крылья должны быть достаточно гибкими, чтобы минимизировать амплитуду взмахов в воде, и в то же время достаточно жёсткими, чтобы удерживать робота в воздухе.
Исследователи также обнаружили, что робот может плавать в воде со скоростью почти 1 м/с при частоте взмахов крыльев около 5 Гц (пять взмахов в секунду). При аналогичной частоте взмахов робот мог летать в воздухе со скоростью около 6 м/с. Скорости и частоты взмахов крыльев робота соответствовали показателям настоящих водоплавающих птиц.
Чтобы совершить переход из воды в воздух, учёные обнаружили, что робот должен быть наклонён под углом 70° — это относительно крутой угол, который не позволяет кончикам крыльев робота касаться поверхности воды, когда он взмахивает крыльями вверх и поднимается в воздух. Если угол наклона будет больше, робот опрокинется назад в воду.
Интересно, что именно это сочетание размера крыльев, частоты взмахов и угла наклона хвоста позволило роботу плавать под водой, взлетать с поверхности и летать без использования лап, которые необходимы многим ныряющим птицам. Когда такие птицы, как тупики и утки, взлетают с поверхности воды, они гребут лапами, одновременно взмахивая крыльями и наклоняя хвост. Удивительно, но Зуфферей и его коллеги обнаружили, что, по крайней мере в робототехнике, для взлёта из воды не обязательно выполнять гребной маневр.
«Если посмотреть на птиц, то большинству из них нужно грести лапками у поверхности, чтобы взлететь. И возник вопрос: нужно ли это же для роботов? Оказалось, что нет», — говорит Зуфферей.
В дальнейшем команда планирует усовершенствовать конструкцию крыльев, чтобы они могли не только махать вверх-вниз, но и поворачивать. Кроме того, они проведут испытания робота в условиях турбулентности, например, при плавании в волнах и полёте на ветру. Затем они надеются задействовать этот аппарат для решения научных задач в области океанологии.
«Одной из главных задач в океанологии является сбор данных как с высокой частотой, так и в различных точках, и именно это этот робот сможет делать в будущем, — говорит Зуфферей. — Его можно будет запускать не только каждую неделю, но и каждый час. Он сможет вылетать на высокой скорости, погружаться, возвращаться, передавать данные и снова вылетать — и так многократно».
Эта работа была частично поддержана грантом в рамках программы «Мария Склодовская-Кюри».
