2.2. Применение природных принципов движения

Способностью двигаться обладают большинство живых организмов – начиная от простейших одноклеточных и заканчивая самыми крупными обитателями биосферы. На протяжении всей эволюции животного и растительного мира происходило совершенствование принципов движения организмов, и в борьбе за существование выигрывали те из них, которые развили наиболее оптимальные с точки зрения энергозатрат способы. Раскрытие и практическое применение в технике этих достижений природы представляет собой актуальное направление исследований бионики.

Рассмотрим наиболее значимые примеры применения природных принципов движения при совершенствовании технических устройств.

Международная спортивная элита делает ставку на австралийского производителя Speedo, но немецкие пловцы связаны договором с Adidas и не могут отказаться от его костюмов, а потому почти не имеют шансов на Олимпийских играх.

Победу или поражение зачастую определяет плавательный костюм. Те пловцы, кто надевал новый костюм Fastskin LZR Racer от Speedo, поставили 38 мировых рекордов из тех 40, что вообще были сделаны по плаванию за это время. Теперь LZR Racer считается самым быстрым плавательным костюмом в мире.

Пораженные чемпионы признаются, что в бассейне у них было чувство, будто они плывут вниз с горы. Секрет успеха LZR Racer в том, что этот костюм развивался в течение миллионов лет: эволюция сделала за Speedo их работу. Технологи скопировали его у природы и усовершенствовали с помощью компьютера.

Сегодня бионика – это установившаяся наука, которая получает выгоду от всё более быстрых компьютеров и расширяющихся возможностей микротехники: теперь можно исследовать даже мельчайшие структуры растительного и животного мира.

Именно на основании таких наблюдений и возникли новые плавательные костюмы от Speedo. Их образцом была кожа акулы, которая в ходе эволюции стала состоять из особых рифлёных чешуек. Благодаря им акулья кожа стала такой гладкой, что рыба весом почти в тонну свободно скользит в воде, почти не встречая сопротивления среды. В соответствии с этим образцом плавательные костюмы были оснащены тысячами искусственных чешуек.

Это имело существенный эффект: спортсмены, надевавшие их, проплывали 100-метровку в среднем на 1,5 секунды быстрее, чем их настолько же сильные конкуренты в обычных костюмах. Но акульих костюмов уже не хватает, чтобы ставить рекорды: они слишком толстые и слишком тяжелые. В исследовательской лаборатории Speedo был создан новый синтетический материал, ещё более гладкий, чем акулья кожа, и при этом абсолютно тонкий. 

Так возник костюм LZR Racer. Он был разработан исследователями из английского университета Ноттингема с помощью компьютерной модели: инженер потоков Эрв Морван ввёл в компьютер параметры тела 400 пловцов и провёл анализ поведения водных потоков. Он выяснил, на какие участки тела вода оказывает наибольшее давление и где возникают тормозящие эффекты.

После этого дизайнеры Speedo смогли установить на проблемных зонах особенно гладкие материалы. Пример плавательного костюма показателен для бионики, потому что до настоящего времени она лишь немного проникла в повседневную жизнь. Сегодня знания этой науки служат, прежде всего, для создания высокотехнологичных продуктов.

Снегоходная машина, имитирующая принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу, разработана в Горьковском политехническом институте под руководством А.Ф. Николаева. Пингвины передвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежа на снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители северных регионов – охотники, оленеводы. Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могут использоваться и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего не могут применяться.

Судостроители обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирского парохода «Куренаи Маару». По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% он сохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка «Скипджек», корпус которой выполнен по форме тунца, имеет более высокую скорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судами.

В последнее время исследователи приблизились к разгадке высокоскоростного плавания рыб. Обитатели открытых морских просторов развивают скорость до 42 км/ч, морские млекопитающие, например, киты, до 40 км/ч, а рыба-меч – 130 км/ч.

Традиционно считалось, что рыбы при плавании используют движение хвоста и отчасти плавников. Проводя исследования, рыб пустили в аквариум, заполненный молоком, чтобы проследить за движением жидкости при плавании рыбы. При каждом ударе хвоста наблюдалось движение жидкости у жабр, а не у хвоста. При этом основная движущая сила возникала при колебательных движениях туловища; слои жидкости, вдоль которых скользила рыба, превращались в завихрения с вертикальной осью вращения. Рыба как бы плыла, отталкиваясь от водоворотов, которые выталкивали ее вперед.

Опыт подтвердил эти предположения. В доску вбили два ряда гвоздей, положили рыбу между ними и она «поплыла» посуху, отталкиваясь корпусом и хвостом от гвоздей как от водоворотов. На основе этого принципа кораблестроители начали работать над созданием подводных судов, двигающихся с легкостью рыбы.

Вскоре эти исследования дополнились работами исследователей, изучающих плавание дельфинов. Последние способны развивать в воде скорость до 56 км/ч, сопровождая часами и даже днями быстроходные корабли. Расчеты показали, что для достижения такой скорости мышцы дельфинов должны быть в 10 раз мощнее, чем они есть на самом деле. Однако оказалось, что точно воспроизведенная по весу и форме тела модель дельфинов, получающая равную тягу, плывет гораздо медленнее живого дельфина. При этом было замечено, что вокруг живого дельфина возникает струйное течение, не переходящее в вихревое. Обтекание модели дельфина было турбулентным, и, вынужденная преодолевать турбулентность со значительной затратой сил, она перемещалась гораздо медленнее (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Движение дельфина в воде

Секрет высокой скорости движения дельфина разгадали советские ученые В.Е. Соколов и А.Г. Томилин. Оказалось, антитурбулентность дельфина обеспечивается особенностями строения кожи. Его эпидермис очень эластичен и напоминает лучшие сорта автомобильной резины. Он состоит из тонкого наружного и лежащего под ним росткового (шиловидного) слоев. В ячейки росткового слоя входят упругие сосочки дермы, точно зубцы резиновой щетки для замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы особенно развиты в лобной части головы и на передних краях плавников, где давление воды максимальное. Ниже сосочков дермы располагаются коллагеновые и эластиновые волокна, а между ними – жир. Всё вместе действует подобно демпферу, предотвращающему турбулентность и срыв потока.

Под давлением подкожный жир меняет форму клеток, а затем восстанавливает ее. Буферность кожи достигается еще и упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.

Благодаря этим приспособлениям поток воды, обтекающий тело дельфина, остается ламинарным – линейным, без завихрений.

Кроме того, на упругой коже дельфинов имеется специальная смазка, обладающая водоотталкивающими свойствами. Поэтому тело дельфина при движении в воде как бы катится по шарикоподшипникам, обеспечивая еще одно преимущество – замену трения скольжения на трение качения.

Когда же дельфины достигают максимальной скорости, и их тело не в состоянии погасить вихри ни демпферными, ни гидрофобными свойствами кожи, кожный покров сам начинает совершать волновые движения в виде складок, продвигающихся по туловищу. Эти волнообразные складки кожи не только гасят вихри, но и уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного.

По этому принципу в 1960 г. немецкий инженер М. Крамер изобрел мягкие оболочки «ламинфло» из двух и трех слоев резины толщиной 2-3 мм. При этом гладкий наружный слой имитировал эпидермис кожи, эластичный средний с гибкими стержнями и демпфирующей жидкостью был аналогичен дерме с коллагенами и жиром, а нижний выполнял функции опорной пластины. Демпфирующая жидкость, перемещаясь между стерженьками, гасила вихри в слое воды ближайшем к корпусу модели. При этом торможение снижалось наполовину, скорость увеличивалась вдвое. Затем подтвердилась возможность снижать сопротивление воды на 40…60%.

Р. Пелт (США), выстлав внутреннюю поверхность трубы имитатором дельфиньей кожи (уретановая смола на полиэфирной основе), получил снижение потерь давления при перемещении жидкости на 35%. Тем самым возникла реальная возможность экономично перекачивать на сотни тысяч километров по трубам воду, сжиженные горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, гранулы (в виде смеси с водой в соотношении 1:1), кормовую пасту, помидоры и другие овощи, а также живую рыбу.

Кораблестроители работают над созданием и развитием подводного грузового и пассажирского транспорта, как более экономичного в энергетическом отношении, защищенного от любой непогоды. По прототипу тела дельфина создана подводная лодка которая может развивать значительную скорость на воде. Она имитирует движения хвоста, по подобию акулы и дельфина. (рис. 2.10). Скорость которую развивает подводная лодка, составляет: на воде 80 км/час.; под водой – 40…50 км/час.

Одновременно с этим рассматривается вопрос и о специальных двигателях для подводного транспорта, сходных с ракетными прямоточно-реактивными или турбореактивными установками. Именно так передвигаются головоногие моллюски — осьминоги, кальмары, каракатицы. У них, как и у всех подводных обитателей, функции двигателя и движителя совмещены в одном мышечном механизме, что способствует эффективной отдаче энергии, повышению КПД, надежности работы системы.

В движителе, основанном на принципе движения кальмара, вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается через сопло. Судно при этом движется в противоположном направлении. Движитель кальмара очень экономичен. Кальмары развивают скорость до 70 км/ч. По предположениям ученых, они могут двигаться со скоростью вдвое большей. Стартуя из глубины в воздух, они пролетают над волнами более 50 м на высоте 7…10 м. В воде они совершают стремительные повороты в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Все это открывает перед кораблестроителями новые перспективы.

Движение с помощью колебаний. Чтобы подводные лодки могли двигаться, они снабжены вращающимся корабельным винтом. Он создает силу тяги и приводит лодку в движение. В природе также есть подобные приспособления: лапки, плавники и крылья. При движении вперед, тунец машет своим хвостовым плавником слева направо. У дельфинов и китов, напротив, плавник движется вверх и вниз. При этом техника плавания существенно не меняется – в основе её лежит колебание.

В то время как техника использует принцип вращения, природа использует принцип колебания.

Рис. 2.10. Движение подводной лодки, разработанной по бионическому подобию дельфина

Инженеры рассчитали, что тяга при колебании плавников эффективнее, чем тяга судового винта, и при этом затрачивается меньше энергии. С конца IX – начала ХХ столетия появилось множество патентов, в которых делались попытки приводить в действие лодки и даже субмарины с помощью колебаний. Но только недавно удалось создать настоящие подводные «лодки-рыбы», хотя и небольшого размера. Они приводятся в действие колеблющимся плавником, который похож на плавник тунца (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Лодка с движителем в форме хвостового плавника

Двойные плавники. Тот, кто плавает с ластами, быстрее продвигается вперед, чем тот, кто плавает без них. Водолазы двигают обоими ластами поочередно. У рыбы же лишь один хвостовой плавник.

Создан «двойной плавник», который надевается сразу на обе ноги, чтобы двигать этим большим «плавником», водолазы должны использовать всю мускулатуру ног, живота и спины. Тот, кто научится этому, будет удивлен, как легко он продвигается вперед. Очевидно, что использование только одного большого плавника – лучшее решение проблемы быстрого плавания.

Скорость синхронизации движений. Британские учёные-зоологи обнаружили в суставах кузнечиков «шестеренки». Данное открытие было сделано при помощи микроскопа и скоростной камеры (5000 кадров в секунду). Использование данной аппаратуры позволило установить, что при подготовке кузнечика к прыжку, когда его конечности синхронно отталкиваются, эти шестеренки проворачиваются вместе.

Каждый сустав кузнечика имеет пару полукруглых сегментов, длина которых составляет порядка 400 микрометров (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Сустав кузнечика в виде пары полукруглых сегментов

Каждый такой сегмент имеет 10 или 12 зубцов. Кроме того, этот механизм имеет крайне малый люфт, что обеспечивает рассинхронизацию движений не более чем на 30 микросекунд. Достичь подобной точности за счет нервных импульсов (продолжительность – около 1 миллисекунды) физически невозможно. Зубчатые выступы полукруглых сегментов позволяют синхронизировать движения конечностей насекомых, что обеспечивает скорость отрыва от земли до 4 метров в секунду и позволяет им совершать длинные прыжки. Этот более компактный вид зацепления полукруглых сегментов со временем был разработан и применен в оборотных плугах.

Оптимальная форма крыла – минимум затрат энергии на движение. Исследователи выяснили, за счет чего саранча, считающаяся одним из самых лучших летунов среди насекомых, летает настолько эффективно. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Science. Его основные выводы приведены в пресс-релизе университета Нового Южного Уэльса, сотрудники которого принимали участие в работе.

Биологи установили, что характеристики полета связаны с формой крыльев насекомых, которые имеют многочисленные выпуклости и впадины и испещрены морщинками и ребрышками. До недавнего времени ученые не могли в деталях изучить строение столь сложно устроенных систем и выяснить, как они проявляют себя в полете.

Авторы новой работы использовали компьютерные модели и эксперименты с живыми насекомыми в аэродинамической трубе (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Саранча в аэродинамической трубе, наполненной дымом

При помощи компьютера исследователи подробно воссоздали все неровности поверхности крыльев саранчи, а опыты в аэродинамической трубе позволили им детализировать кинематику движений крыла. На следующей стадии исследования ученые убрали с крыльев виртуальной саранчи морщинки и ребрышки, но сохранили изгиб крыла. Затем авторы удалили и изгиб.

Результаты моделирования доказали, что именно необычная форма крыла влияет на эффективность полета. «Усеченным» моделям требовалось больше времени на преодоление того же расстояния или же им приходилось потреблять больше энергии.

Ученые полагают, что их работа может пригодиться инженерам, создающим маленькие летательные аппараты, использующие принципы полета насекомых. Такие аппараты будут востребованы военными и экологами, которые смогут с их помощью проводить мониторинг окружающей среды.

Конструирование роботов. Создание новых роботов, идеями для которых являются живые организмы и биологические объекты, дает этим роботам удивительные способности и возможности, отшлифованные самой природой в течение многих миллионов лет. Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) создали нового робота GhostBot, который стал механическим аналогом рыбы-ножа, использующей для движения в любом направлении один единственный горизонтальный плавник (рис. 2.14).

Наблюдения за рыбой-ножом показали, что во время горизонтального движения рыба использует только одну волну движения, распространяющуюся по плавнику. Перемещаясь вертикально, рыба формирует две встречные волны, движущиеся от концов плавника к его центру, где они сталкиваются и останавливаются. Проведенное компьютерное моделирование показало, что когда эти волнообразные движения плавника сталкиваются друг с другом образуется нисходящий поток воды, обеспечивающий рыбе подъемную силу, заставляющую её двигаться вверх.

Среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере – с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Копировать конструкцию ног можно у животных.

Рис. 2.14. Робот по прототипу рыбы-нож

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом «гексаподом», построенным по результатам изучения системы передвижения таракана (рис. 2.15). Миниатюрный, длиной около 17 см, шестиногий робот «гексапод» из Стенфордского университета бегает со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду и так же успешно преодолевает препятствия.

Рис. 2.15. Робот «гексапод»

Китайцы создали робота, ползающего по стенам. Робот разрабатывается инженером Минге Ли из шанхайского Университета Тунцзи. Для движения по поверхностям с уклоном до 75° (а в перспективе – по вертикали) машина применяет два типа ухищрений, применяемых насекомыми.

Мухи используют в этих целях клейкую жидкость, которая выделяется железами на лапках. Её хватает ровно настолько, чтобы закрепиться на поверхности, но при этом не застрять в ней. Минге Ли сымитировал подобный механизм на ногах механического устройства, использовав вязкую смесь на основе мёда и воды.

Однако разработка не показала той эффективности, которая присуща природному аналогу, и специалист обратился за помощью к другому виду – палочникам. Эти существа способны не только маскироваться под ветки и стебли, но и прочно прикрепляться к дереву – благодаря крошечным выемкам и бороздкам на кончиках лапок.

Повторив такую структуру на силиконовой подошве робота, инженеру Ли удалось увеличить силу прилипания на 50 %. Это произошло за счёт рассредоточения давления, которое искусственная нога оказывает на поверхность. Предполагается, что усовершенствованное строение подошвы робота поможет также выделять клейкое вещество более равномерным слоем.

В 2006 году команда Стэнфордского университета представила робота «геккона» StickyBot, умеющего карабкаться по стенам (если только они не являются шершавыми или влажными).

Идея StickyBot также позаимствована у природы: живых гекконов удерживают на стенах и потолке миллионы микроскопических волосков на пальцах лап, которые взаимодействуют с поверхностью на молекулярном уровне. У робота эти волоски заменены углеродными нанотрубками.

Исследователь Келлар Отэм из Колледжа Льюиса и Кларка в Портленде (США) полагает, что, соединив способности насекомых и геккона, удастся получить идеального прилипающего робота.

Также, компанией Toyota разработан одноногий робот «монопод» ростом один метр, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая (рис. 2.16). Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. Двигается робот без помощи какого-либо мотора, вместо него устройство снабжено специально разработанным суставом. Целью данного эксперимента была попытка воссоздать движение, необходимое для бега.

Британские ученые под руководством профессора Тони Прескотта создали робота, который ориентируется в пространстве при помощи тактильных сенсоров, напоминающих усы животных

Биологическим прототипом для этого изобретения послужила землеройка, а точнее – её вид «карликовая белозубка».

Рис. 2.16. Робот «монопод»

Это крошечное млекопитающее обладает развитыми усами, которые подразделяются на два типа. Более крупные и редкие макровибриссы служат для начального ощупывания примечательных объектов на расстоянии, а менее крупные, но густые микровибриссы помогают тщательнее изучить выбранный предмет. И те и другие способны определять форму объектов и текстуру поверхности.

Тем же умением наделили британского робота-землеройку. Его антенны, имитирующие усы, заключают в себе металлические трубочки, которые движутся внутри магнита.

Когда искусственная «вибрисса» касается чего-либо, трубочка смещается, что можно отследить в трех измерениях. Когда объекта касаются несколько антенн одновременно, полученных данных достаточно для того, чтобы программа могла определить форму и даже тип встреченного роботом предмета.

Следующей своей задачей исследователи называют копирование еще одной способности упомянутого зверька – слежения и охоты за добычей (например, сверчками) с помощью усов. В данном случае псевдоземлеройка должна с помощью одних только тактильных сенсоров преследовать радиоуправляемые Lego-машинки.

Данный проект является частью программы Евросоюза BIOTACT (BIOmimetic Technology for vibrissal Active Touch), которая предполагает создание полноценной системы тактильной навигации.

Инженеры университета прикладных наук Западной Швейцарии, наблюдая за пингвинами, разработали механический движитель, эмитирующий работу крыла этих птиц (рис. 2.17).

а б

Рис. 2.17. Механический движитель по прототипу крыла пингвина:

а – движение крыльев робота-пингвина; б – механизм движения крыла.

В воде пингвины могут развивать очень большие скорости. Некоторые из них способны разогнаться менее чем за секунду до 7 м/с, при этом их крылья работают не так, как крылья летающих птиц или плавники рыб.

Для того, чтобы имитировать движение крыла пингвинов, инженеры собрали устройство, напоминающее шарнир. В частности, соединение обеспечивает свободное движение «крыла» в пределах 60-градусного конуса и может вращать его вокруг своей оси, чего реальный плечевой сустав пингвинов делать не может.

В настоящее время подобные устройства, имитирующие движения различных животных, уже довольно широко нашли применение в робототехнике.

Ученые из Массачусетского технологического института создали роботов-рыб нового поколения. Они считают, что сконструированные ими роботы идеально подходят для массового производства. В отличие от предыдущих вариантов, «продвинутые» роботы-рыбы состоят из единого куска гибкого пластика. Такое устройство защищает приборные «внутренности» роботов-рыб от попадания влаги. Кроме того, отсутствие большого числа деталей, которые необходимо собирать воедино, существенно удешевляет производство.

Материал, из которого изготовлены роботы-рыбы, неоднороден на протяжении длины их тела. Характеристики пластика были просчитаны таким образом, чтобы тело роботов совершало такие же движения, как и живые рыбы. Один из вариантов роботов-рыб повторяет движения окуня или форели, у которых основные колебания совершает хвостовая часть тела. Такие рыбы обычно быстро плавают.

Другой вариант имитирует стиль плавания тунца. Основные движения также приходятся на собственно хвост и хвостовой стебель – часть тела, расположенная позади анального плавника. Однако амплитуда колебаний у тунца больше, чем у форели, и он передвигается значительно быстрее.

Роботы-рыбы совершают все движения за счет маленького двигателя. Несмотря на точное повторение формы тела и стиля плавания, пока роботы преодолевают расстояние, равное длине их тела, за одну секунду. Скорость плавания настоящих рыб в десять раз выше. Роботы-рыбы, сделанные ранее, не могли достичь и этих показателей (рис. 2.18).

В ближайшее время исследователи собираются улучшить характеристики своих роботов-рыб. Кроме того, они намерены перевести их с внешнего источника питания (с которым роботы связаны проводом) на внутренние аккумуляторы. По мнению исследователей, роботы-рыбы будут востребованы для мониторинга состояния подводных газопроводов или обшивки кораблей. Кроме того, плавающих роботов, способных проникать в узкие щели, могут взять на вооружение экологи.

Рис. 2.18. Робот-рыба

Компания Festo, которая создает роботов подобных разным живым организмам, представила нового робота. Робот SmartBird был смоделирован по внешнему виду чайки, правда робот-чайка имеет немного большие размеры, чему у его биологического прототипа. Инженеры Festo много лет изучали поведение птиц, их полеты и активно анализировали результаты исследований по этой теме других ученых. Они воспроизвели присущие только живым птицам умения и возможности – в искусственном летальном аппарате.

Робот SmartBird летает благодаря тому, что сделан из сверхлёгких материалов (масса 485 граммов, корпус из углеводородного волокна), размах его крыльев составляет более 2 метров (рис. 2.19). И при этом робот почти не использует энергии, использует потоки воздуха для полета. У него есть относительно небольшой двигатель, который с помощью достаточно простой механической системы приводит в движения крылья.

SmartBird непрерывно по радиосвязи передает информацию о своем полете, чтобы с помощью компьютера отслеживать и изменять движение и изгиб крыльев, а так же траекторию полета. В результате робот летает плавно и легко, как реальная птица.

Рис. 2.19. Робот SmartBird по бионическому подобию чайки

Создатели считают, что этого робота можно использовать для транспортировки различных грузов. Вероятно, найдутся и другие способы применения, например, незаметная разведка местности, исследования поведения птиц.