Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside (UCR) odkryli kluczowe wskazówki dotyczące pływania płaszczek i odkryli, że ich falujące ruchy to coś więcej niż tylko pokaz, ale precyzyjnie dostrojona adaptacja zapewniająca stabilność w trudnych warunkach podwodnych. W kontrolowanych tunelach wodnych przetestowano niestandardową automatyczną płetwę zaprojektowaną tak, aby naśladować ruch płaszczek, co doprowadziło do zaskakującego odkrycia: płaszczki znajdujące się blisko dna morskiego aktywnie przeciwdziałają sile skierowanej w dół, lekko przechylając płetwy do góry.
Ewolucja lokomocji płaszczki
Płaszczki wykazują różne style pływania w zależności od siedliska. Podczas gdy płaszczki pelagiczne (oceaniczne) szybują, machając płetwami, promienie bentosowe (denne) wykorzystują ruchy przypominające fale, które koordynują się z prądami na dnie morskim. Ten styl fali jest szczególnie skuteczny, ponieważ odzyskuje energię z wody, aby zmniejszyć opór. Naukowcy podejrzewali, że ta rozbieżność jest ewolucyjną reakcją na fizykę różnych środowisk i teorię, którą postanowili udowodnić.
Eksperyment z robotami płetwowymi
Aby przetestować swoją hipotezę, zespół UCR stworzył silikonową płetwę robota o grubości 9,5 milimetra i zanurzył ją w specjalistycznym tunelu wodnym symulującym prądy oceaniczne. Celem było zaobserwowanie wpływu siły nośnej na płetwę na różnych głębokościach. Nieoczekiwanie na płetwę w pobliżu dna morskiego napłynęła siła skierowana w dół, co było odwrotne do przewidywań.
Dostosowując kąt płetwy, odkryli, że przechylenie zaledwie o kilka stopni znosi ujemne siły nośne. Sugeruje to, że naturalne promienie instynktownie pływają z lekkim kątem płetw skierowanym ku górze, co pozwala im pokonać nacisk spychający je w stronę dna morskiego. Falisty ruch również konsekwentnie zapewniał większy odstęp od dna morskiego niż trzepotanie płetw, co potwierdza jego skuteczność w warunkach bentosowych.
Implikacje dla robotyki i nie tylko
Odkrycia te mają ważne implikacje dla rozwoju pojazdów podwodnych. Zasady pływania płaszczkami mogą zainspirować do stworzenia bardziej energooszczędnych i niewidzialnych robotów. Naukowcy już badają te możliwości, uwzględniając wcześniejsze osiągnięcia, takie jak roboty tkankowe i biohybrydowe zasilane komórkami serca, elektrodami, a nawet mięśniami szczurów. Ostatecznym celem jest stworzenie pojazdów podwodnych, które naśladują naturalną wydajność i cichą pracę płaszczki.
„Wydaje się, że natura już rozwiązała ten problem” – powiedział Yuanhan Zhu, inżynier mechanik w UCR. Podkreśla to ciągłe znaczenie systemów biologicznych jako planów dla przyszłych technologii.
Badanie pokazuje, w jaki sposób ewolucja optymalizuje rozwiązania problemów fizycznych i jak zrozumienie tych rozwiązań może napędzać innowacje w robotyce i inżynierii podwodnej.
