Алгоритм ученых из МФТИ и их коллег из Российского государственного научного центра робототехники и технической кибернетики (Санкт-Петербург) и Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского поможет в цифровом виде воспроизвести механику движений насекомого в полете, а также воздушные потоки вокруг него. Дальнейшее моделирование позволит создать линейку биоморфных летающих роботов.
Комар Aedes aegypti / © Muhammad Mahdi Karim, en.wikipedia.org
Понимание того, как животные перемещаются в пространстве, имеет значение для многих научных областей. В частности, наблюдение за насекомыми поможет инженерам в создании беспилотников нового типа. Например, исследовательских аппаратов, которые способны совершать полет в узких тоннелях, зависать в воздухе и садиться на вертикальные и отвесные поверхности.
Для проработки этих вопросов команда российских ученых предложила новую вычислительную модель полета комара. Работа опубликована в Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation — международном академическом журнале, посвященном методам математического моделирования и анализа.
Как объяснили ученые, интерес к изучению полета комара связан с тем, что эти насекомые обладают одной из самых необычных техник создания подъемной силы. Их полет — результат двух колебательных движений: кручения и взмахов. Комариное крыло совершает частые колебательные движения по небольшой (около 400) амплитуде. Причем в конце каждого хода вверх и вниз оно немного закручивается, что создает дополнительные вихри на краю аэродинамической поверхности и увеличивает вертикальную тягу.
В основу предложенной учеными вычислительной модели заложено всего шесть уравнений. Эта лаконичность позволяет значительно экономить вычислительные мощности. Вместе с тем при построении модели был реализован эксклюзивный алгоритм, который предполагает деформацию вычислительной сетки с учетом изгиба и взмахов крыльев с помощью метода динамического преобразования. Таким образом, исследователи получили возможность учитывать движение воздушных потоков, создаваемых вокруг тела комара при полете.
«В ходе нашей работы была построена точная математическая модель движения насекомого в воздухе. Она позволяет рассчитать, грубо говоря, не только как маленькое существо машет крыльями, но одновременно и то, что происходит с воздушным потоком вокруг него. В результате алгоритм дает возможность построить соответствующие поля давления и вычислить подъемную силу», — объяснил руководитель исследований Виктор Казанцев, заведующий лабораторией нейробиоморфных технологий МФТИ и заведующий кафедрой нейротехнологий ННГУ.
В частности, благодаря новой модели была рассчитана частота взмахов крыла, необходимая для зависания насекомого в воздухе. В соответствии с выводами ученых, эта величина равна 800-820 циклам в секунду. Полученные данные совпали с экспериментальными расчетами, проведенными ранее, что подтвердило предсказательную точность предложенных алгоритмов. Вместе с тем ученые определи, что увеличение подъемной силы, которую создают крылья насекомого, пропорциональна квадрату частоты колебаний, совершаемых ими.
«Крыло комара имеют относительно простую форму. Это дает возможность использовать полученные расчеты как основу для разработки более сложных моделей. Например, таких, которые описывают полет птиц, верхние конечности которых в процессе взмаха изменяют свою геометрию», — рассказал Виктор Казанцев.
Также, по словам ученых, предложенные модели могут стать базой для разработки беспилотников, основанных на принципах комариного полета. Технологии для воссоздания движения крыльев таких биоморфных аппаратов с высокой частотой колебаний уже существуют.
