Инженеры из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) обнаружили ключевые сведения о том, как плавают скаты, выяснив, что их волнообразные движения – это не просто зрелище, а отточенная адаптация для поддержания стабильности в сложных подводных условиях. Пользовательский роботизированный плавник, разработанный для имитации движения скатов, был протестирован в контролируемых водных тоннелях, что привело к неожиданному выводу: скаты, находящиеся вблизи морского дна, активно противодействуют направленной вниз силе, слегка наклоняя плавники вверх.
Эволюция Локомоции Скатов
Скаты демонстрируют различные стили плавания в зависимости от среды обитания. В то время как пелагические (океанические) скаты скользят с помощью взмахов плавниками, бентосные (донные) скаты используют волнообразные колебания, которые согласуются с течениями на морском дне. Этот волнообразный стиль особенно эффективен, поскольку он перерабатывает энергию из воды, чтобы уменьшить сопротивление. Исследователи подозревали, что это расхождение является эволюционным ответом на физику различных сред, теорию, которую они намеревались доказать.
Эксперимент с Роботизированным Плавником
Чтобы проверить свою гипотезу, команда UCR создала силиконовый роботизированный плавник толщиной 9,5 миллиметра и погрузила его в специализированный водяной тоннель, имитирующий океанские течения. Цель состояла в том, чтобы наблюдать, как подъемная сила влияет на плавник на разных глубинах. Неожиданно плавник испытал направленное вниз усилие вблизи морского дна, то есть противоположное тому, что предсказывалось.
Регулируя угол наклона плавника, они обнаружили, что наклон всего на несколько градусов нейтрализует отрицательную подъемную силу. Это говорит о том, что естественные скаты инстинктивно плавают с небольшим углом наклона плавников вверх, что позволяет им преодолеть давление, толкающее их к морскому дну. Волнообразное движение также постоянно обеспечивало больший зазор от морского дна, чем взмахи плавниками, что подтверждает его эффективность в бентосных условиях.
Последствия для Робототехники и Не Только
Эти выводы имеют важное значение для разработки подводных транспортных средств. Принципы, лежащие в основе плавания скатов, могут вдохновить на создание более энергоэффективных и незаметных роботов. Исследователи уже изучают эти возможности, включая предыдущие разработки, такие как тканевые и биогибридные роботы, работающие от сердечных клеток, электродов или даже мышц крыс. Конечная цель – создать подводные аппараты, которые имитируют естественную эффективность и тихую работу ската.
«Природа, похоже, уже решила эту проблему», – заявил Юаньхан Чжу, инженер-механик из UCR. Это подчеркивает непреходящую актуальность биологических систем в качестве чертежей для будущих технологий.
Исследование демонстрирует, как эволюция оптимизирует решения для физических задач и как понимание этих решений может стимулировать инновации в робототехнике и подводной инженерии.
