- Статьи
- Наука и техника
- Что указано пером: птицы помогут создать автономные системы навигации для дронов
Что указано пером: птицы помогут создать автономные системы навигации для дронов
Ученые изучили, как молодые перелетные птицы используют сложную систему врожденных «маяков» для навигации во время первой миграции. Ориентирами могут служить звезды, линии магнитного поля Земли или продолжительность светового дня. Полученные данные меняют ранее существовавшие более простые представления о возможностях птиц и могут быть полезны при разработке автономного навигационного оборудования, например, беспилотных систем, работающих в условиях отсутствия сигналов GPS. Подробнее о том, как природа помогает создавать биовдохновленные технологии, — в материале «Известий».
Как птицы ориентируются во время полета
Исследователи из Зоологического института РАН (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского государственного университета изучили существующие на сегодняшний день работы по навигации у птиц и определили, что их способности гораздо сложнее, чем предполагалось ранее, и они включают систему природных ориентиров.
Схематическое изображение концепции «часов и компаса» у молодых перелетных птиц, показывающее, как они перемещаются от мест размножения до мест зимовки, используя внутренний механизм хронометража и ориентиры
В лаборатории авторы смоделировали условия, с которыми крылатые сталкиваются при пересечении магнитного экватора. Магнитный компас птиц устроен таким образом, что они не отличают север от юга, а могут различать направление «к полюсу» (в Северном полушарии это направление на север) и «к экватору» (в Северном полушарии это направление на юг).
Когда летящая на юг птица пересекает магнитный экватор (здесь магнитное поле Земли становится горизонтальным, поскольку вертикальная составляющая поля равна нулю), ей нужно переключиться от полета к экватору на полет к полюсу. В реальных условиях это Южный полюс, и она дальше летит на юг. Географически магнитный экватор проходит близко к обычному, но отклоняется в некоторых регионах. Например, в Южной Америке он смещен к северу, а в Индийском океане — к югу.
1. Осенняя трансэкваториальная миграция птиц. (А) Изображение магнитного поля Земли. (B) Направление силовых линий магнитного поля в Северном полушарии во время осенней миграции птиц в направлении к экватору. (C) Направление силовых линий магнитного поля на магнитном экваторе. (D) Направление линий магнитного поля в Южном полушарии во время осенней миграции птиц в направлении к полюсу
Биологи поместили в такой ориентационно «слепой участок» на два дня и три ночи молодых (еще не совершавших перелетов) болотных камышевок (Acrocephalus palustris) и серых мухоловок (Muscicapa striata). Эти виды выбрали потому, что они регулярно пересекают магнитный экватор во время миграции из Европы в Африку. При этом птицы не имели возможности получать какие-то другие сигналы, помимо геомагнитных, для ориентирования — например, видеть расположение звезд или оценить длину светового дня. После того как их подержали в условиях магнитного экватора, авторы проверили направление их ориентации в круговых аренах — небольших клетках в форме конуса.
Оказалось, что оба вида сохранили прежнее направление ориентации к экватору, то есть на юг. В ранее проведенных экспериментах на садовых славках (Sylvia borin) наблюдался иной эффект: славки изменяли направление своего полета и летели к полюсу (на север).
Авторы предполагают, что такие отличия могут быть связаны с тем, что разные виды используют неодинаковые стратегии ориентирования. Так, кроме магнитного поля они могут оценивать расположение звезд или изменение длины светового дня. Вероятно, именно из-за этого в отсутствие дополнительных сигналов болотные камышевки и серые мухоловки не смогли «переориентироваться» после условного пересечения магнитного экватора.
Серая мухоловка
— Ранее мы показали, что птицы могут осваивать звездный «компас» не только в ходе предыдущих миграций, но и непосредственно перед первым полетом и во время него. Они могут наблюдать за звездным небом, останавливаясь по пути следования. Например, болотные камышевки делают длительную остановку в Кении, где они имеют возможность изучить новые звездные «карты». Наше новое исследование подтверждает, что навигация птиц — это не просто следование строгой программе, а сложный процесс, сочетающий врожденные механизмы и адаптацию к внешним условиям, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, завлабораторией орнитологии Зоологического института РАН Никита Чернецов.
Ежегодно миллиарды птиц совершают сезонные миграции, преодолевая тысячи километров между местами гнездования и зимовки, очень точно определяя места планируемого прибытия. Долгое время ученые считали, что молодые особи, впервые отправляющиеся в путь, руководствуются простой генетически обусловленной врожденной программой, которая условно состоит из «компаса», указывающего направление, и «часов», определяющих продолжительность полета. Еще в середине XX века ученые проводили эксперименты по искусственному смещению птиц с их обычных миграционных путей. Например, исследователи перевозили скворцов из Нидерландов в Швейцарию и отслеживали их дальнейшее перемещение.
Как данные о навигации птиц используют в разработке дронов
В дальнейшем ученые планируют провести эксперименты со взрослыми особями серой мухоловки, которые уже пересекали магнитный экватор и были в горизонтальном магнитном поле. Благодаря этому исследователи хотят понять, смогут ли опытные птицы отреагировать на горизонтальное поле как на сигнал к тому, чтобы начать ориентироваться не к магнитному экватору, а к магнитному полюсу, чтобы продолжать лететь на юг.
— Понимание этих механизмов не только расширяет наши знания о природе, но и открывает новые возможности для создания биовдохновленных технологий, например, в робототехнике и системах автономного перемещения, — подчеркнул Никита Чернецов.
Сами по себе данные не новые — о способности птиц ориентироваться по линиям магнитного поля и продолжительности светового дня известно давно, но недостаточно было изучено само явление, прокомментировала исследование «Известиям» заместитель директора Института экологии РУДН Ирина Головачева. Человек всегда учился у природы, и большинство изобретений «подсмотрено» у природы.
— Сейчас ориентирование человека происходит через GPS с использованием интернета. Навигация по электромагнитным полям позволит прокладывать маршруты там, где есть проблемы с GPS. А также, возможно, на основе этого механизма получится создать портативное автономное оборудование определения местоположения, — сказала она.
Фотография магнитных колец, в которых ученые изменяли магнитное поле
В целом указанные факторы уже заложены в инерциальных и азимутальных навигационных системах для беспилотников, отметил коммерческий директор компании «Лаборатория будущего», эксперт рынка НТИ «Аэронет» Павел Камнев.
— «Птичья» ориентация в небе впервые была разработана еще при создании первых беспилотных систем в 1920-х, а в Советском Союзе — в 1930-х. Птица понимает, что ей необходимо мигрировать по изменению длины светового дня. Дальше она использует ориентацию по ландшафту, ориентацию по магнитному полю Земли, ориентацию по солнцу и звездам, то есть у них есть определенный внутренний таймер и компас, — рассказал специалист.
Ориентационные клетки и видеокамера, фиксирующая поведение птиц
Полученные данные весьма интересны, однако непонятна точность. Для беспилотников она должна быть субметровая, а лучше сантиметровая, рассказал «Известиям» генеральный директор компании «Русдронопорт», эксперт рынка НТИ «Аэронет» Николай Ряшин.
— Вряд ли птицы в своих встроенных «маяках» имеют точность позиционирования и географии до 50 см. Скорее всего, речь идет о километрах, а может, даже сотнях километров. Птицы прилетают, скорее всего, в какую-то географическую область, хотя они проделывают большие расстояния. Для дронов нужны более точные данные, — сказал он.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Frontiers in Physiology и Journal of Experimental Biology.
