Кит сезона: загадка анатомии рыб сделает подводные дроны суперэффективными

Исследователи МФТИ разработали математическую модель, описывающую движение подводного аппарата, использующего принципы анатомии рыб с плавательным пузырем. Это новшество позволит дронам быть более маневренными и снизит их энергетические затраты. Полученные расчеты могут быть применены для создания бесшумных и экономичных подводных роботов, которые найдут применение в экологическом мониторинге и скрытом наблюдении. Однако, по мнению специалистов, результаты требуют экспериментального подтверждения. Данную информацию сообщает портал Известия.

Модель движения рыб

Команда МФТИ создала математическую модель для биоподобных подводных аппаратов с мягким корпусом, которые используют аналог плавательного пузыря. Воспроизведение этого механизма позволит создать дронов, способных перемещаться в воде с минимальными затратами энергии благодаря изменению объема специального органа. Разработчики планируют проверить полученные данные на существующих прототипах.

— Мы наконец поняли, как рыба использует плавательный пузырь. В рыбоподобных роботах с мягким корпусом и изменяющимся объемом состояние нулевой плавучести неустойчиво. В зависимости от положения пузыря они либо тонут, либо всплывают. Однако при движении рыбы появляется подъемная сила. Если разместить пузырь в хвосте и спустить его, задняя часть аппарата начнет опускаться, но плавники стабилизируют его. При надувании хвост поднимается. Таким образом, балансируя между этими состояниями, робот может перемещаться, — пояснил Виктор Казанцев, руководитель лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ.

Такой подход позволит дрону удерживаться на заданной глубине и маневрировать с минимальными затратами энергии, без необходимости в датчиках или насосах, добавил специалист.

Расчеты показали, что стабилизация происходит после достижения минимальной критической скорости. При более медленном движении робот теряет устойчивость. Важно, чтобы пузырь и плавники были смещены назад относительно центра аппарата. При слишком высокой скорости или нарушении этих пропорций система может стать нестабильной.

Роботы-рыбы разрабатываются в разных странах. Например, швейцарские инженеры совместно с коллегами из США создали универсальную модель, которую можно масштабировать без изменения конструкции. Она имитирует движения макрели и атлантической трески и имеет жесткий корпус с гибким хвостом. Китайские разработчики весной представили роботизированную модель араваны — рыбы из бассейна 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.

Применение роботов-рыб

Биоподобные подводные дроны имеют перспективы благодаря способности поддерживать плавучесть и зависать на заданной глубине с минимальными затратами энергии. Использование мягкого корпуса и воздушного пузыря может сделать аппараты более маневренными и тихими по сравнению с традиционными жесткими устройствами. Тем не менее, технологии еще предстоит протестировать в реальных условиях: на эффективность будут влиять давление на разных глубинах, прочность материалов и точность управления, пояснил 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 и подводных кабелей. Такие дроны также могут использоваться для научных экспедиций и скрытого наблюдения, так как малошумное движение снижает воздействие на живые организмы. При успешных испытаниях технология может привести к созданию автономных групп роботов, способных долго работать под водой без частой подзарядки, — добавил специалист.

Исследование дает хорошую теоретическую основу для подводной робототехники — создания тихих и энергоэффективных автономных аппаратов, считает эксперт рынка НТИ «Аэронет» Артем Богатырев.

— Это расчетная работа, и ее главная ценность заключается в практических рекомендациях для конструкторов. Авторы указали, где нужно расположить аналог плавательного пузыря и плавники, а также с какой скоростью должен двигаться аппарат, чтобы удерживать глубину без насосов и постоянной работы системы управления. Большинство подводных дронов меняют глубину с помощью балластных систем, которые тратят энергию и создают шум. Пассивная стабилизация может значительно продлить автономную работу аппаратов при длительном мониторинге акваторий и морских экосистем, — заключил он.

Важно учитывать ограничения метода. Модель построена в упрощенной форме и 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 инструмент для проектирования экономичных подводных аппаратов, способных выполнять длительные автономные миссии, добавил эксперт.