23.04.2001 О бионике (Передача II.)

Сегодня мы продолжим начатый неделю назад рассказ о том, как современные учёные, инженеры и конструкторы, работающие в самых разных областях знаний, заимствуют оригинальные, остроумные, высокоэффективные, а порой и весьма неожиданные научно-технические решения у живой природы.

Наглядным примером может послужить авиация. С тех пор, как около ста лет назад американцы братья Уилбер и Орвилл Райт начали свои эксперименты в этой области, человечество серьёзно продвинулось в освоении воздушного пространства. Первый в мире полёт, который братья совершили 17-го декабря 1903-го года на сконструированном ими самолёте с двигателем внутреннего сгорания, продолжался ровно 59 секунд. Сегодня пассажирские авиалайнеры, оборудованные мощнейшими турбореактивными двигателями, совершают беспосадочные рейсы продолжительностью в 11 и более часов, преодолевая расстояния до 13-ти тысяч километров. Современные боевые самолёты-истребители способны развивать скорость, втрое превышающую скорость звука. Однако обращает на себя внимание одно обстоятельство: всё это время развитие авиации шло в направлении, напоминающем олимпийский лозунг «быстрее, выше, сильнее!». Хотя сама идея о покорении воздушного океана впервые пришла человеку в голову, скорее всего, при виде птиц, он почти сразу же отказался от попыток воспроизвести их технику полёта и отдал предпочтение принципу неподвижного крыла. Между тем, никакие самолёты не сравнятся с птицами или насекомыми по части КПД или, скажем, манёвренности, даже с учётом разницы в массе. Ведь неслучайно попытка пришибить сложенной газетой сидящую на стене муху обычно заканчивается неудачей, а уж попасть по летящей мухе –задача и вовсе нереальная. Поэтому группа американских биофизиков решила исследовать особенности полёта мухи и на базе собранной информации уже через несколько лет построить летающего миниробота. А немецкие биологи тем временем изучают влияние поверхностной структуры крыльев птицы на её аэродинамические свойства. Репортаж Яна Люблинского:

В заполненном жёлтой жидкостью аквариуме медленно, словно живое, перемещается пластмассовое крыло длиной сантиметров 30. Помимо возвратно-поступательных движений, имитирующих обычные в нашем представлении взмахи, крыло совершает ещё и вращательные движения, подчиняясь при этом довольно сложному алгоритму.

- Ну так что, не будем пока менять пружину?
- Окей, не будем.
- Нет, пожалуй всё-таки лучше пружину заменить.
- Ладно, давай заменим.

Итак, предстоит процедура замены металлической пружины, которая крепится к крылу. Само же крыло смонтировано на довольно сложной конструкции со множеством электродвигателей, а главное – погружено в жёлтую жидкость, с которой исследователи стараются обращаться максимально осторожно. Один из них, Джим Бёрч, перед тем, как приступить к ответственной операции по замене пружины, надевает специальную защитную одежду, которая при ближайшем рассмотрении оказывается обычным кухонным фартуком. Да и осторожность в обращении с жёлтой жидкостью объясняется, оказывается, очень просто. Коллега Джима Бёрча с усмешкой говорит:

- Это одно из лёгких светлых моторных масел. Оно страшно маркое, пачкает всё, на что попадает. Ну, а в этом помещении уберечься от него практически невозможно. Поэтому у нас повсюду расставлены коробки с бумажными салфетками.

А Джим Бёрч даёт пояснения по существу:

- У нас имеется вот это небольшое устройство, с помощью которого мы поднимаем робота из масла. Сзади, так сказать, на спине робота, расположена пружина, посредством которой можно регулировать некоторые параметры взмахов крыла. Сейчас мы испытываем пружины разной жёсткости – стараемся подобрать такую, которая обеспечила бы оптимальный результат.

Необычная машина именуется „robofly„, то есть „робот-муха„. Задача робота – моделировать движения крыла мухи. Поскольку механическое крыло гораздо крупнее натурального, а движется значительно медленнее крыла настоящей мухи, исследователям для точной имитации интересующих их процессов понадобилась более вязкая среда, нежели воздух. Этим и объясняется заполненный моторным маслом аквариум. Но параллельно с испытаниями робота учёные проводят и эксперименты с живыми насекомыми.

Майкл Дикинсон (фото) помещает подопытную муху в своего рода миниатюрный авиационный тренажёр. Эта установка для моделирования условий полёта насекомых представляет собой небольшую сферу, составленную из 1600 светодиодов. Майкл Дикинсон поясняет:

- С помощью специального клея мы закрепляем муху на конце тонкой иглы. В качестве подопытных чаще всего используются плодовые мушки – дрозофилы. Муху мы помещаем в наш миниимитатор полёта. Даже будучи прикованным к одному месту и не имея возможности перемещаться в пространстве, насекомое продолжает, как ни в чём не бывало, махать крыльями. У нас есть специальный оптический сенсор, который отслеживает параметры этих взмахов – частоту, скорость, направление. Полученная информация обрабатывается компьютером, который просчитывает траекторию гипотетического полёта мухи и отражает её на дисплее нашего авиатренажёра. Таким образом, насекомое не только видит предполагаемые результаты своих летательных усилий, но и может брать курс на тот или иной объект, регулировать скорость его перемещения на экране, а в некоторых случаях даже вполне успешно ориентироваться в виртуальном ландшафте.

Секрет полёта мухи сводится к тому, что её крыло, во-первых, меняет в процессе взмаха свою геометрию, а во-вторых, описывает очень сложную пространственную траекторию. Именно это позволяет мухе создавать весьма значительную подъёмную силу. Кроме того, муха умудряется при каждом взмахе крыла эффективно использовать воздушные завихрения, созданные предыдущим взмахом. Майкл Дикинсон говорит:

- Эта способность мухи опираться на собственную спутную струю является, с моей точки зрения, самым ценным из наших открытий. Волны, разбегающиеся в кильватере идущего по воде судна, или завихрения, оставляемые в воздухе летящим самолётом, – это вещественные признаки впустую потерянной энергии. Конструкторы разного рода летательных аппаратов, учёные, работающие в области аэродинамики, всегда мечтали найти возможность использовать энергию спутного потока. Именно такой способностью, судя по всему, и обладают насекомые: умело сочетая возвратно-поступательные движения крыльев с круговыми, они при каждом взмахе умудряются опираться на то завихрение, которое порождено их же собственным предыдущим взмахом.

Исключительно важную роль при этом играет последовательность и временная согласованность разных элементов движения крыла: начиная вращательное движение чуть раньше или чуть позже, муха может регулировать подъёмную силу в очень широких пределах.

Это позволяет насекомому гибко маневрировать, мгновенно реагируя на изменения окружающей среды: лететь не только вперёд, но и вбок, назад и даже зависать на месте.

Столь выдающиеся аэродинамические способности мухи и заставляют Майкла Дикинсона упорно работать над созданием миниробота по её образцу:

Я думаю, что уже в ближайшие 5 лет кто-нибудь – может быть, это буду я и мои коллеги, а может быть, кто-то другой, – так вот, кто-нибудь обязательно сумеет создать летающего миниробота. И тогда в развитии этого направления техники возникнет ситуация, аналогичная той, что имела место 100 лет назад, после первого полёта братьев Райт. Ведь поднять механическое устройство в воздух вовсе не так уж сложно, да это никогда и не было большой проблемой. Проблема – в том, чтобы удержать его в воздухе.

Вопросы, связанные с особенностями полёта живых организмов, интересуют и немецких учёных. Однако специалисты Института зоологии при университете Саарбрюккена избрали для своих экспериментов не насекомых, а другой, более крупный объект: птиц, конкретно – скворцов. На плоской крыше институтского здания установлен мощный компрессор, обеспечивающий подачу воздуха в расположенное этажом ниже странное деревянное сооружение размером с два платяных шкафа. При ближайшем рассмотрении это сооружение оказывается аэродинамической трубой – вроде тех, что служат для испытания автомобилей и самолётов. Впрочем, данную трубу отличает ряд конструктивных особенностей, продиктованных её необычным предназначением: в Институте зоологии в ней разместили просторную птичью клетку – и, конечно не пустую. Биолог Удо Мёллер поясняет:

- Эта труба сконструирована так, что мы можем менять её наклон. Вот сейчас я установил угол наклона плюс 5 градусов. Это означает, что птице приходится лететь как бы слегка в гору. В нашей трубе мы можем менять угол наклона воздушного потока в диапазоне от минус 3-х градусов – это соответствует полёту с очень пологим снижением – до плюс 30-ти градусов – это соответствует полёту с довольно крутым набором высоты. Кроме того, мы можем включить дополнительный наддув, правда, это приводит к росту уровня шума. Зато это позволяет нам менять скорость воздушного потока от 5-ти до 14-ти метров в секунду. Для скворца на воле наиболее комфортная скорость во время дальних перелётов – примерно 10 метров в секунду.

В прошлом году Удо Мёллер научил летать в аэродинамической трубе целую стаю скворцов. Дрессировка состояла из нескольких этапов. Сначала учёный просто сажал птиц на перекладину, чтобы они привыкли к шуму и ветру.

- А потом просто делается вот что: из-под сидящего скворца в какой-то момент перекладина резко убирается. Скворец тотчас расправляет крылья и летит. Это совершенно нормальная инстинктивная реакция любой птицы, вот её-то мы и используем. А секунды через 3-4 перекладина возвращается на место. Скворец – птица весьма сообразительная – быстро усваивает: если перекладина опустилась, значит, я должен лететь, если она поднялась обратно, значит, мне можно на неё сесть.

Спустя 9 месяцев такой упорной дрессировки некоторые из подопытных скворцов уже могли по 2 часа подряд лететь в аэродинамической трубе. Эти полёты биологи регистрировали с помощью двух видеокамер и внимательно изучали. В дальнейшем учёные сосредоточили свои усилия на исследовании особенностей строения крыльев скворца. Мёллер и его коллеги из университета Саарбрюккена изготовили две жёсткие пластмассовые модели, представляющие собой точные копии парящего скворца. Модели отличались друг от друга лишь тем, что у одной поверхность крыльев была совершенно гладкой, а у другой имелась гравировка, имитирующая структуру перьев. Обе модели подверглись испытанию в аэродинамической трубе, и анализ данных показал, что наличие перистой структуры на поверхности крыльев весьма существенно улучшает лётные характеристики модели. Один из участников проекта Франк Ведекинд поясняет:

- Если говорить конкретно, то прирост подъёмной силы у рифлёного крыла оказался несколько выше, чем у гладкого, но самый удивительный эффект заключался в том, что так называемый срыв воздушного потока, приводящий к образованию завихрений, увеличению сопротивления и прочим ухудшениям аэродинамических характеристик, наступал у рифлёного крыла при значительно большем угле атаки, нежели у гладкого. То есть в том диапазоне углов атаки, который типичен для большинства птиц, именно перистая структура исключает какие бы то ни было явления, способные негативно повлиять на лётные свойства крыла. Это и обеспечивает высокую эффективность птичьего полёта.

Впрочем, учёные университета Саарбрюккена полагают, что непосредственно использовать полученные экспериментальные данные для совершенствования таких летательных аппаратов, как самолёты или вертолёты, вряд ли возможно. Во всяком случае, сегодня. И всё же применить на практике позаимствованные у природы новые знания – задача вполне реальная. В частности, Франк Ведекинд планирует уже в самое ближайшее время организовать производство нового бытового вентилятора, значительно более эффективного и менее шумного, чем нынешние. В его конструкции использованы некоторые особенности строения крыльев скворца. Собственно, этап разработки уже успешно завершён, все необходимые для регистрации патента документы собраны и сданы в патентное ведомство. Сам Франк Ведекинд так характеризует своё детище:

- Я полагаю, что мой вентилятор будет создавать значительно меньшее аэродинамическое сопротивление благодаря особой конфигурации лопастей. А кроме того, он обеспечит гораздо более низкий уровень шума. Ведь любое сопротивление свидетельствует лишь о том, что здесь имеют место завихрения воздушного потока. А завихрения – это, во-первых, шум, а во-вторых – низкая эффективность прибора. Избавляясь от завихрений, я наращиваю мощность вентилятора, не увеличивая при этом потребление электроэнергии. То есть придав лопастям вентилятора форму и структуру крыла скворца, я тем самым добился существенного повышения коэффициента полезного действия прибора.

Это был репортаж, подготовленный Яном Люблинским. Тема бионики, тема заимствования идей и научно-технических решений у живой природы поистине неисчерпаема – как неисчерпаема сама природа. Поэтому мы ещё не раз вернёмся к этой теме в наших следующих передачах.