Опыт движения ночных комаров перенесли на квадрокоптеры

Ученые использовали принципы, которыми руководствуется ночной полет комара, чтобы разработать квадрокоптер, оснащенный элегантной сенсорной системой предотвращения столкновений.

Их исследование, опубликованное в журнале Science, демонстрирует, как комар избегает препятствий в темноте, чувствуя изменения в воздушных потоках, создаваемых его взмахами крыльев.

Международная совместная исследовательская группа, в состав которой входит доктор Саймон Уокер из Университета Лидса и возглавляемая профессором Ричардом Бомфри из Королевского ветеринарного колледжа (РВК), использовала понимание сенсорного механизма в комаре-самце Culex quinquefasciatus для разработки био-системы предотвращения столкновений для автономного квадрокоптера, которая кодирует аэродинамическую информацию на лету.

Ночные комары перемещаются в темноте, не врезаясь в поверхности. Когда они садятся на людей или других животных для кормления, они делают это очень осторожно, чтобы оставаться скрытными, поскольку быть замеченным может означать катастрофу. Поскольку эти ночные комары не могут видеть, что они делают своими глазами, они используют другой сенсорный режим – механосенсинг.

Комары и другие летающие животные летают, ускоряя воздух вокруг них, создавая быстрые струи под каждым взмахом крыла. Эти струи меняют форму при наличии препятствий, таких как земля или стены.

Благодаря изысканно чувствительному набору рецепторов у основания антенн на головах комаров, называемом органом Джонстона, комар способен обнаруживать эти изменения в схемах воздушного потока. Исследователи назвали это “аэродинамическим изображением”: оно дает москиту картину окружающего мира даже в темноте и в тех случаях, когда они не могут почувствовать поверхность при физическом контакте.

Команда использовала компьютерное моделирование динамики жидкости, основанное на высокоскоростной регистрации полета комаров, чтобы исследовать влияние земли и стен на потоки воздуха вокруг тела. Они обнаружили тенденцию: органы Джонстона на антеннах очень легко обнаруживают изменения воздушного потока на малых высотах, при этом отклик уменьшается на больших высотах, пока не будет достигнут порог обнаружения.

Они были удивлены, увидев, что одно из мест с наибольшим различием в характере воздушного потока находится над головой, а это означает, что антенны насекомых были оптимально расположены, чтобы чувствовать эти изменения, несмотря на то, что они находятся дальше всего от земли.

Пилоты самолетов и вертолетов знакомы с явлением, называемым эффектом земли, которое имеет тенденцию вступать в игру, когда летательный апарат находится очень близко к земле, обычно это заметно на высоте ниже двух длин крыла.

Используя свои новые данные, исследователи предсказали максимальное расстояние, на котором комар Culex может обнаруживать поверхности: более 20 длин крыльев, что намного больше, чем ожидаемое расстояние для обнаружения на основе существующих аэродинамических моделей.

Доктор Саймон Уокер из Школы биомедицинских наук в Лидсе сказал: “Комары представляют собой насекомых с вытянутыми крыльями с чрезвычайно высокой частотой взмахов. Мы уже знаем, что они используют нетрадиционную аэродинамику во время полета, и это исследование дает еще одну загадку их эволюции, а также вдохновляющую технология для использования инженерами”.

Ведущий автор доктор Тошиюки Наката был профинансирован Научно-исследовательским советом по биотехнологиям и биологическим наукам (BBSRC) для исследования аэродинамики комаров и других насекомых. Он сказал: “Благодаря нашим результатам моделирования я был просто поражен точностью комаров, которые избегают поверхностей вокруг них”.

“Если мы посмотрим на эффект земли в контексте обычной аэродинамики, то расстояние до пола, определяемое летающим комаром, огромно”.

Следующим шагом команды было перенести концепцию аэродинамического изображения на миниатюрный квадрокоптер. Они оснастили автомобиль сенсорным устройством, созданным на основе био-энергии, изготовленным из набора зондов, соединенных с датчиками перепада давления.

Измеряя скорости воздушного потока вокруг квадрокоптера, исследователи определили, где разместить датчики для максимальной чувствительности. Модули датчиков работают оптимально, как на комарах, при размещении в местах, испытывающих наибольшие изменения воздушного потока при приближении к поверхности. Устройство было запущено у земли, а стены сначала привязаны к устройству, затем пилотировано и, наконец, запущено автономно.

Эта простая модель была способна обнаруживать поверхности и успешно поднимать сигнализацию на расстояниях, достаточных для избежания препятствий при приближении к земле и стенам. В отличие от предыдущих исследований квадрокоптеров с поверхностным зондированием, для этой модели требуются только базовые пороги, практически не требующие обработки. Это легкий, энергоэффективный и масштабируемый способ.

Профессор Ричард Бомфри сказал: “Важно понимать, как такая значительная группа насекомых перемещается по всему миру. Если мы хотим жить в будущем, когда все больше и больше работы выполняются летательными аппаратами и беспилотными летательными аппаратами, было бы полезно получить некоторое вдохновение от комаров, чтобы сделать наши машины более безопасными при работе вблизи зданий или другой инфраструктуры”.

“Нет причин останавливаться на небольших самолетах, эта способность обнаружения поверхности может быть расширена до вертолетов, что делает их немного безопаснее при полете в опасных условиях с плохой видимостью”.

По материалам Techxplore