Природа вдохновила инженеров на создание сверхбыстрых мини-роботов
Благодаря таким веерообразным лопастям насекомые не просто держатся на поверхности, но способны разгоняться, мгновенно поворачивать и маневрировать так, будто они летают над водой. Недавнее исследование ученых из Калифорнийского университета в Беркли, Технологического института Джорджии и университета Аджу в Южной Корее, показало, что эти «веера» работают удивительным образом — они открываются и закрываются пассивно, словно кисть для рисования, и делают это в десять раз быстрее, чем человек успевает моргнуть.
До сих пор считалось, что подобные движения могут обеспечиваться исключительно мускулами. Но наблюдения показали: стоит капле воды коснуться отдельной лопасти, как та сама расправляется, используя лишь силу поверхностного натяжения и эластичность ткани. Это сочетание гибкости и жесткости позволяет насекомым выполнять развороты всего за 50 миллисекунд и двигаться со скоростью до 120 длин тела в секунду — показатели, сравнимые с полетом мух. «Когда я впервые увидел, как эти крошечные жуки скользят и мгновенно меняют направление в бурных потоках, мне показалось, что они летают по воде», — вспоминает биолог Виктор Ортега-Хименес, один из авторов работы.
Вдохновившись этим открытием, ученые создали микроробота, получившего название Rhagobot. Его ключевой элемент — искусственные веера из плоских ленточных структур, спроектированные по образцу насекомых. Такой дизайн оказался решающим: цилиндрические волоски, казавшиеся сначала логичным выбором, не давали нужной комбинации жесткости и гибкости. Лишь плоская «лента» позволила воспроизвести секрет природы.
В результате ученые собрали робота весом всего в один миллиграмм. Его веера раскрываются и складываются сами, без моторов и внешнего питания, используя только взаимодействие с поверхностью воды. Это открывает новые горизонты в микроробототехнике: устройства, способные быстро маневрировать на границе воздух-вода, можно использовать для мониторинга состояния рек и озер, а в будущем — даже для поисково-спасательных операций в труднодоступных местах.
Феномен водомерок интересен еще и потому, что при гребке они создают особые вихри и волны, больше похожие на следы от взмахов крыльев, чем на обычные возмущения воды. Возможно, эти насекомые используют не только силу сопротивления, но и подъемную силу, как птицы или насекомые в воздухе.
Жизнь в стремительных потоках для таких миниатюрных созданий сродни постоянной турбулентности в самолете, только, учитывая их размеры, эта турбулентность гораздо сильнее. Тем не менее водомерки способны «грести» практически круглые сутки, лишь изредка останавливаясь, чтобы питаться или линять. Для инженеров это стало еще одним вызовом: создать робота, который сможет работать столь же устойчиво в непредсказуемой среде. Rhagobot уже показал, что благодаря «умным» веерам это возможно.
Так ученые не только раскрыли тонкий механизм эволюционной адаптации, но и показали, что изучение даже мельчайших организмов может вдохновить на инженерные решения. Веера на лапках водомерок, созданные природой миллионы лет назад, могут стать основой для создания нового поколения компактных роботов, которые будут работать там, где крупная техника бессильна.
