Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Механизм «слепого» обнаружения препятствий комарами воспроизвели в квадрокоптере

Toshiyuki Nakata et al. / Science, 2020

Ученые из Великобритании и Японии объяснили механизм, позволяющий комарам обнаруживать препятствия, не используя зрение. Эксперименты показали, что, вероятно, за это отвечают механорецепторы в усиках, способные улавливать в создаваемых крыльями воздушных потоках изменения, которые вызывают находящиеся рядом предметы. Исследователи предложили использовать похожий принцип в дронах и собрали квадрокоптер, способный обнаруживать изменения в воздушных потоках вокруг себя с помощью датчиков давления. Статья опубликована в журнале Science.

Животные используют для определения препятствий вокруг множество принципиально разных способов, причем часто гораздо более сложных, чем зрение. Например, широко известен способ навигации, используемый летучими мышами: они испускают ультразвуковые сигналы и регистрируют их отражения от предметов. Это обеспечивает летучим мышам возможность не зависеть от освещения и летать в полной темноте, в отличие от многих других видов.

Исследования показывают, что комары тоже способны избегать препятствий без использования визуальных стимулов, но только на расстоянии нескольких сантиметров. Группа ученых под руководством Ричарда Бомфри (Richard Bomphrey) из Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне предположила, что ограничение на расстояние объясняется механизмом, основанным на обнаружении искажения воздушных потоков вблизи объектов.

Для того, чтобы разобраться в распределении потоков воздуха от крыльев и тем, как близлежащие объекты искажают их, исследователи создали модель комара и с помощью гидродинамической симуляции получили данные о поведении потоков на разных расстояниях от плоской поверхности. Построив карты распределения давления вокруг комара они увидели, что под грудной частью комара находится большая зона с максимальным давлением. Но помимо нее они обнаружили вторую зону с максимальным давлением, расположенную над головой в том числе в зоне расположения усиков.

В усиках комаров расположен Джонстонов орган с механорецепторами, способный определять отклонения потоков воздуха. Более ранние исследования показывают, что у этого органа у комаров есть два пика чувствительности: на уровне 280 герц и второй, более широкий, в диапазоне примерно от 600 до 800 герц. Эти пики соответствуют частоте взмахов крыльев самок и самцов, соответственно. Первый пик обычно объясняется тем, что он помогает самцам обнаруживать самок. Исходя из данных моделирования авторы новой статьи предположили, что второй пик объясняется тем, что он позволяет комарам-самцам отслеживать прежде всего не других самцов, а возмущения в потоках воздуха от собственных взмахов крыльев, вызванных приближением к какой-либо плоскости.

Исследователи предложили использовать этот принцип в дронах, для которых даже небольшое столкновение с препятствием, например, деревом, обычно заканчивается падением и повреждениями. За основу они взяли открытый квадрокоптер Crazyflie 2.0, а на него установили плату с дифференциальными датчиками давления, определяющими разницу давлений между двумя источниками, и подключенные к ним трубки.

Всего в дроне установлено пять датчиков: два определяют разницу давлений вдоль и поперек корпуса, еще два по диагоналям, а последний рассчитывает разницу между верхней и нижней зоной.


Определив распределение потоков вокруг дрона при приближении к плоскостям на разное расстояние, исследователи установили для каждого датчика пороговые показатели, при которых полетный контроллер получает данные о препятствии и начинает уклоняться от него. Эксперименты с полетами исследователи показали на видео.

В прошлом году американские инженеры создали летающего робота-колибри, который тоже способен отслеживать препятствия по возмущениям воздушных потоков, но используя другой метод. Для этого он отслеживает потребление тока двигателями и таким образом обнаруживает подъемную силу, возникающую из-за экранного эффекта.

Григорий Копиев




Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.