Исследователи из Университета Брауна создали искусственное крыло летучей мыши. Работа, в которой рассказывается о создании крыла-робота, которое прекрасно моделирует маховое движение при полете млекопитающего и дает новую ценную информацию о механизме полета, опубликована в журнале Bioinspiration and Biomimetics.

Робот повторяет форму и движения крыла малайского коротконосого крылана — растительноядного вида крыланов, распространённого в юго-восточной Азии — и способен «летать», будучи закрепленным на преобразователе энергии, в аэродинамической трубе. При маховых движениях датчик фиксирует аэродинамические силы, создаваемые крылом. Семь подвижных «суставов» крыла управляются тремя серводвигателями. Это электрические двигатели, воспринимающие определённый набор электронных команд (пуск, остановка, перемещение вала в заданное угловое положение, изменение направления движения и/или скорости). Серводвигатели применяются в большинстве видов механических систем с дистанционным управлением, от стеклоподъёмников автомобиля до авиационных агрегатов и от промышленных роботов до детских игрушек. Датчики фиксируют выход энергии моторов, и таким образом исследователи могут понять, сколько тратит на полет обычная летучая мышь.

Исследования показали, что робот успешно имитирует базовые характеристики полета летучий мышей, развивая достаточное усилие для преодоления сопротивления воздуха и удержания в воздухе веса модельного животного.

Руководили междисциплинарной работой сразу два профессора: инженер Кеннет Бреуэр и биолог Шэрон Шварц.

Исследование крыла-подделки позволило получить данные, которые никогда не удалось бы получить напрямую, исследуя животных. Очевидно, летучим мышам не удастся лететь, будучи закрепленными на приборах, напрямую измеряющих аэродинамические силы, а вот крыло-робот прекрасно с этим справляется. Кроме того, летучие мыши «непослушные», а робот, наоборот, исполнительный.

«Мы не можем приказать мыши махать крыльями с частотой 8 Гц, затем увеличить ее до 9 Гц, поэтому мы и разницу увидеть не можем», — отметил первый автор работы Джозеф Балман, студент из университета Брауна.

А вот модель делает ровно то, что от нее требуют исследователи. Каждая из возможных характеристик движений – кинематических параметров – регулируется по отдельности. Можно, например, изменять лишь один параметр, оставляя остальные неизменными, чтобы определить его влияние.

«Мы можем отвечать на весь спектр подобных вопросов, например: помогает ли увеличение частоты взмахов набрать высоту и каковы затраты энергии при этом. Можем напрямую изучать связь между кинематическими параметрами, аэродинамическими силами и энергией», — отмечает Балман.

Удалось установить, например, что сгиб крыла при взмахе позволяет набирать высоту на 50% эффективнее.

У исследований робота-крыла сразу два направления практического применения. Во-первых, биологам важно лучше понимать, как устроен полет летучей мыши, а во-вторых, через это понимание мы можем достигнуть давней мечты человека о «птичьем полете», создав небольшие самолеты такого типа. Кстати, возможность такого полета предполагал еще Леонардо да Винчи. Недаром исследования финансирует не только Национальный научный фонд США, но и Управление научных исследований военно-воздушных сил.

Крылья летучей мыши – очень сложный механизм. Они простираются вдоль всего тела животного от плеч до ног (следует помнить, что летучая мышь – не птица, а млекопитающее, и скелет ее чем-то похож на наш). Каркас их представляет собой кости «рук» и пять пальцеподобных отростков. На них натянута очень эластичная кожа – она может растягиваться в пределах 400% без разрыва. Модель-робот воспроизводит эту трехмерную конструкцию: «кости» пластиковые и сделаны с помощью 3D-печати в пропорциях реальной летучей мыши. Кожа сделана из кремнесодержащего полимера, а суставы – это сервомоторы. Модель, однако, несколько упрощена и неполностью повторяет 25 суставов с 34 степенями свободы, однако ученые считают ее качественно правильной.

Сейчас создана работающая модель, и у ученых на нее множество планов.

«Следующий шаг – поиграть с материалами. Нам нужно изучить разные ткани крыла, материал костей разной мягкости, чтобы понять, так ли важны эти характеристики», — заключил Балман.