- Статьи
- Наука и техника
- Кит сезона: тайна анатомии рыб сделает подводные дроны суперэнергоэффективными
Кит сезона: тайна анатомии рыб сделает подводные дроны суперэнергоэффективными
Специалисты МФТИ описали в математической модели особенности движения подводного аппарата с плавательным пузырем, повторяющим принципы анатомии рыб. Это сделает дроны маневренными и даст им возможность двигаться с минимальными затратами энергии. Расчеты уже сейчас можно использовать для конструирования бесшумных и экономных подводных роботов, которые могут найти применение в экологическом мониторинге или скрытом наблюдении. Однако, по мнению экспертов, данные еще необходимо подтвердить экспериментально.
Принцип движения рыб
Специалисты МФТИ разработали математическую модель движения биоподобных подводных аппаратов с мягким корпусом, использующих аналог плавательного пузыря рыбы. Воспроизведение этого природного механизма может позволить создать маневренные дроны, способные перемещаться в толще воды с минимальными затратами энергии — за счет изменения объема специального органа. Полученные данные разработчики планируют проверить на имеющихся прототипах таких устройств.
— Мы наконец выяснили, как рыба использует плавательный пузырь. В рыбоподобных роботах с мягким корпусом и изменяющимся объемом, как и у живых организмов, состояние нулевой плавучести неустойчиво. Поэтому в зависимости от положения пузыря они либо тонут, либо всплывают. Однако если рыба двигается, то появляется подъемная сила. Если разместить пузырь в хвостовой части и спустить его, задняя часть аппарата начнет опускаться, но плавники будут ее стабилизировать. При надувании происходит обратный процесс — хвост начинает подниматься. Таким образом, балансируя между этими состояниями, робот может перемещаться, — рассказал руководитель лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ Виктор Казанцев.
Такой принцип позволит дрону удерживаться на заданной глубине и маневрировать с минимальными затратами энергии. При этом для управления плавучестью не потребуются датчики, электроника или насосы, добавил специалист.
Расчеты показали, что стабилизация происходит после достижения минимальной критической скорости. При более медленном движении робот теряет устойчивость. Важно также, чтобы пузырь и плавники были смещены назад относительно центра аппарата. При слишком высокой скорости или нарушении этих пропорций система, напротив, может стать нестабильной.
Роботов-рыб сейчас разрабатывают во многих странах. Так, швейцарские инженеры вместе с коллегами из США создали универсальную модель, которую можно масштабировать до разных размеров без изменения конструкции. Она имитирует движения макрели и атлантической трески и имеет твердый корпус с гибким хвостом. Китайские разработчики этой весной представили роботизированную модель араваны — рыбы, обитающей в бассейне Амазонки. Устройство длиной 69 см, высотой 20 см и массой 3,8 кг способно развивать скорость до 1,9 км/ч и работать до 12 часов на одной зарядке аккумулятора.
Применение роботов-рыб
Такие биоподобные подводные дроны выглядят перспективно благодаря способности поддерживать плавучесть и зависать на заданной глубине с минимальными затратами энергии. Использование мягкого корпуса и воздушного пузыря может сделать аппараты более маневренными, тихими и безопасными для окружающей среды по сравнению с традиционными жесткими устройствами. Однако технологии еще предстоит проверить в реальных условиях: на эффективность будут влиять давление на разных глубинах, прочность материалов, устойчивость к течениям и точность управления, пояснил «Известиям» сооснователь компании-производителя роботов «Промобот» Олег Кивокурцев.
— Основные области применения — экологический мониторинг водоемов, наблюдение за морскими животными, исследование подводных экосистем, поиск загрязнений и контроль состояния трубопроводов, гидротехнических сооружений и подводных кабелей. Такие дроны также могут использоваться для научных экспедиций и скрытого длительного наблюдения, поскольку малошумное движение снижает вероятность воздействия на живые организмы. При успешных испытаниях технология может привести к созданию автономных групп роботов, способных долго работать под водой без частой подзарядки, — сказал специалист.
Исследование предоставляет хорошую теоретическую основу для перспективного направления подводной робототехники — создания тихих и энергоэффективных автономных аппаратов, считает эксперт рынка НТИ «Аэронет» Артем Богатырев.
— Пока это расчетная работа, и ее главная ценность — в практических правилах для конструкторов. Авторы показали, где нужно расположить аналог плавательного пузыря и плавники и с какой скоростью должен двигаться аппарат, чтобы он сам удерживал глубину без насосов и постоянной работы системы управления. Сегодня большинство подводных дронов меняют глубину с помощью балластных систем, которые перекачивают воду, тратят энергию и создают шум. Пассивная стабилизация может заметно продлить автономную работу аппаратов при длительном мониторинге акваторий, подводной инфраструктуры и морских экосистем, — сказал он.
Важно учитывать и ограничения метода. Модель построена в упрощенной постановке и пока не учитывает многие ситуации, с которыми аппарат может столкнуться на практике. Теперь методику предстоит испытать на прототипах роботов-рыб. Если расчеты подтвердятся, российские разработчики получат готовый инструмент для проектирования экономичных подводных аппаратов, способных совершать длительные автономные миссии, добавил эксперт.
