Камера-паук рассмотрела свободный полет насекомых вблизи

Французские инженеры создали инструмент, позволяющий снимать свободный полет насекомых вблизи. По принципу работы он похож на камеру-паука, используемую на стадионах: каркас с камерами закрепляется на тросах, позволяющих свободно перемещать его в любую сторону в пределах рабочей зоны. В новой установке алгоритмы быстро отслеживают траекторию насекомого внутри каркаса и сдвигают его, чтобы насекомое постоянно оставалось внутри. Это позволяет исследовать особенности полета определенных видов, не ограничивая их движения, что позволяет получать данные, максимально приближенные к поведению в естественной среде, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.

Изучать полет насекомых довольно трудно из-за их размера. Как правило, для этого используют два подхода: с механической фиксацией насекомого или в свободном полете. Первый способ позволяет снимать насекомого максимально близко, с хорошим разрешением. Но получаемые таким образом данные ценны не для всех исследований, потому что фиксация, например, с помощью нити, ограничивает движения и не позволяет полностью воспроизвести естественные движения. Свободный полет заснять сложнее, обычно для этого используют либо аэродинамическую трубу, либо полностью свободный полет возле цветка. Первый способ ограничивает спектр возможных движений, а второй подходит лишь для определенных видов.

Инженеры под руководством Доминика Мартинеса (Dominique Martinez) из Университета Лотарингии создали систему, позволяющую снимать полет насекомых вблизи, при этом не ограничивающую их движения, и не специфичную для видов с определенным поведением, например, сбором нектара с цветов.

По своей конструкции система напоминает камеру-паука, которую часто используют на стадионов для съемки. Она подвешивается на тросах за края стадиона и за счет сматывания и разматывания определенных тросов она может перемещаться и зависать в воздухе почти в любой точке над полем, давая хороший ракурс для трансляции. Новая система гораздо меньше: внешняя рама имеет размеры 6 × 4 × 3 метра, а внутри нее на тросах, закрепленных за лебедки в углах рамы, подвешен куб с ребрами длиной 30 сантиметров.

Грани куба оставлены пустыми, но рядом с ними с внешней стороны закреплены две камеры и инфракрасный излучатель для отслеживания положения насекомого, и основная высокоскоростная камера для съемки полета. Насекомые могут летать с высокой скоростью, поэтому алгоритм управления положением куба не только отслеживает текущее положение объекта съемки, но и анализирует траекторию, чтобы заранее начать двигаться в такую же сторону. Новое положение для куба рассчитывается каждые 10 миллисекунд.

На первом этапе испытаний авторы давали алгоритму расчета движений не реальные текущие данные о траектории, полученные с камер, а траектории насекомых нескольких видов, записанные заранее в аэродинамической трубе. Это позволило в целом проверить работоспособность установки, а также определить предельные значения: оказалось, что она справляется со скоростями до 3,6 метра в секунду и ускорениями до 17 метров на секунду в квадрате.

На втором этапе разработчики использовали установку для наблюдения за шестью особями мотылька совки-эпсилона (Agrotis ipsilon). Представители этого вида имеют размеры около двух сантиметров и способны летать со скоростью до трех метров в секунду. Внутри куба инженеры установили небольшую подставку — насекомое кладут на нее перед съемкой, а затем дожидаются, пока оно взлетит само, или начинают нагревать подставку. После взлета платформа падает благодаря электромагниту.

Испытания показали, что система способна работать в реальных условиях с настоящими насекомыми, а также позволила авторам проанализировать особенности полета мотылька. Выяснилось, что наклоны его тела меняются вместе с наклонами плоскостей крыльев, что согласуется с существующими моделями и наблюдениями.

В 2017 году немецко-австрийская группа инженеров создала другую систему съемки насекомых в свободном полете. Она состоит из большого цилиндра, на стенках которого отображается виртуальный мир. Однако полностью свободной такую систему назвать нельзя, потому что она стимулирует насекомое повернуть, меняя положение виртуальных объектов.

Григорий Копиев