Чтобы улучшить следующее поколение автоматизированных машин размера насекомого, инженеры из университета Джонса Хопкинса направили высокоскоростные видеокамеры на одно из самых симпатичных созданий на планете с целью изучения природы его движения

Исследуя изящество и ловкость порхания бабочек среди цветов, исследователи надеются "научить" маленьких летательных роботов подражать этим маневрам.

Американские службы защиты, которые финансировали это исследование, поддерживают разработку микро-летательных аппаратов, которые смогли бы выполнять разведывательные, поисково-спасательные операции и миссии по экоконтролю, чтобы при этом не было необходимости рисковать человеческими жизнями. Эти устройства обычно называют микро-воздушными транспортными средствами или MAV (micro aerial vehicles).

"Для военных операций, в частности, MAV должны иметь возможность легко передвигаться, например, в сложных городских условиях, где может быть ограниченное пространство, и, кроме физических препятствий, могут быть различные погодные условия, которые тоже нужно учитывать, - сказал Тайрас Лин из Инженерной школы Уитинга при университете, который является одним из авторов исследования. - Эти летающие роботы должны быстро маневрировать. И на сегодняшний день как раз маневренности всем подобным устройствами не хватает".

Чтобы попытаться устранить этот недостаток, Лин изучал движение бабочки. "Летающие насекомые способны к выполнению огромного разнообразия маневров во время полета, - сказал он. – Изучив поведение бабочек, мы сможем многого добиться в проектировании MAV".

Тайрас Лин – магистрант в университете Джона Хопкинса, возглавивший исследование

Исследование курировал Раждат Миттэл, преподаватель машиностроения. "Это исследование имеет большое значение, потому что оно не только обращается к вопросам, связанным с биофункциональным дизайном MAV, но исследует фундаментальные вопросы биологии, связанной с возможностями и границами возможностей летающих насекомых", - сказал Миттэл.

Для проведения исследования Лин использовал скоростные видеокамеры с высоким разрешением, которые способны показать то, как изменения в распределении массы, связанные с движением крыла и деформацией тела летающего насекомого, помогают быстро совершать повороты и другие маневры. Лин недавно представил некоторые из своих разработок на ежегодной встрече Американского физического научного сообщества.

"Фигуристы, когда хотят кружиться быстрее, прижимают руки к телу, а когда хотят замедлиться, они вытягивают руки, - говорит Лин. - Эти положения изменяют распределение массы фигуриста в пространстве и изменяют момент инерции; это влияет на вращение тела фигуриста. Насекомое может делать то же самое с телом с помощью крыльев".

Тайрас Лин устанавливает камеры для изучения движения бабочек

Бабочки двигаются слишком быстро, чтобы видеть движение их крыльев четко невооруженным глазом, таким образом, Лин в сотрудничестве с аспирантом Лингксиао Чженом использовал высокоскоростную видеограмметрию высокого разрешения, чтобы математически зарегистрировать траекторию и структуру тела бабочки в движении. Ученые использовали три видеокамеры, которые способны зафиксировать 3 000 одномегапиксельных изображений в секунду. Для сравнения, стандартная видеокамера делает 24-30 кадров в секунду.

Исследователи из университета Джонса Хопкинса установили свои камеры в неподвижных положениях и сфокусировали их на небольшой области в пределах резервуара, подобного террариуму. Для каждого аналитического этапа были выпущены несколько бабочек. За каждые две секунды съемки ученые получали 6 000 трехмерных изображений маневров полета насекомого. "Бабочки машут крыльями приблизительно 25 раз в секунду, говорит Лин. - Поэтому мы должны были делать очень много снимков".

Расположение этих трех камер позволило исследователям получить стереоскопические данные и проанализировать движение крыльев насекомых и их тел в мельчайших деталях. Это привело к открытию.

Ранее опубликованное исследование указывает на то, что тонкие крылья насекомого обладают очень незначительной массой, по сравнению с телом. Сегодня ученые пришли к заключению, что изменения в распределении массы в пространстве, связанные с движением крыла, не должны рассматриваться в анализе маневренности полета насекомого и его стабильности. "Мы обнаружили, что изменения в момент инерции, которые качественно связаны с распределением массы, играют важную роль в полете насекомого, как движение руки и ноги влияет на движение фигуристов или дайверов".

Лин считает, что исследование будет полезным для биологов, которые изучают динамику движения насекомых. Команда же планирует продолжить исследование на дрозофилах, крылья которых меньше, а динамика полета еще более удивительна.

Лин считает, что исследование будет полезным для биологов, которые изучают динамику движения насекомых. Команда же планирует продолжить исследование на дрозофилах, крылья которых меньше, а динамика полета еще более удивительна.

Источник