Ученые разобрались с прыжками ногохвосток и повторили их принципы в роботе

Биологи и инженеры из Кореи и США детально исследовали все этапы прыжка ногохвосток вида Isotomurus retardatus. Ученые выяснили, что в отрыве, полете и приземлении огромную роль играют коллофоры, торчащие из брюшка животных. На базе понятых принципов авторы изготовили робота с сопоставимой эффективностью приземления. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Инженеры довольно часто заимствуют у природы принципы работы отдельных элементов механизмов или структуру материалов. Со временем подобные исследования объединили термином биомиметика. Наблюдая за животными, специалисты учат своих роботов летать, приземляться, взбираться по стенам, безопасно падать, ходить по дну и многому другому. Все это невозможно без достижений биомеханики, которая изучает живые организмы в техническом контексте.

В этом ключе большой интерес для исследователей представляют ногохвостки или коллемболы — класс членистоногих, близкий к насекомым. Эти животные обладают прыгательной вилкой (фуркой), то есть отростком на нижней части брюшка, который помогает им отталкиваться от поверхности и совершать прыжки. И если способность ногохвосток к прыжкам ученые уже исследовали довольно хорошо и даже изготовили робота, прыгающего по такому же принципу, то приземление этих членистоногих долгое время считалось неконтролируемым. Вместе с тем для коллембол, живущих у воды, аккуратное приземление критично в силу большого эволюционного давления со стороны водных и наземных хищников.

Биологи и инженеры из Кореи и США при участии Саада Бхамла (Saad Bhamla) из Технологического института Джорджии провели подробное биомеханическое исследование различных этапов прыжка коллембол Isotomurus retardatus и выяснили, что эти животные способны выполнять направленные прыжки, быстрое выравнивание в воздухе и почти идеальное приземление на поверхность воды. Построив подробную модель процесса и верифицировав ее в наблюдениях с помощью высокоскоростной съемки и экспериментов в аэродинамической трубе, ученые использовали ее для создания биомиметического робота.

На первом этапе авторы разобрались с прыжками ногохвосток, которые те совершают за счет выбрасывания фурки. Оцифровка 27 высокоскоростных записей позволило разделить их на две большие группы: катапультирование под большим углом к поверхности и полет почти вровень с водой. В последнем случае большую роль играло капиллярное сцепление коллофора – небольшой трубки, выходящей из первого брюшного сегмента – с водой. В некоторых прыжках этот придаток даже не терял контакта с поверхностью.

На этом роль коллофора не закончилась. Ученые заметили, что при катапультировании к придатку остается прилипшей небольшая капелька воды, масса которой составляет в среднем три процента массы тела животного. Моделирование и эксперименты в аэродинамической трубе с живыми и мертвыми ногохвостками показали, что это утяжеление вместе с выгибанием тела в виде буквы U дает коллемболам механизм пассивной ориентации в воздухе брюшком вниз, делая их похожими на волан для бадминтона. Это происходит менее чем за 20 миллисекунд, что является рекордом для бескрылых животных.

В результате, помогая себе усиками и вилкой, в 85 процентов случаев коллемболы приземлялись на брюшко. Вдохновившись этим механизмом, авторы изготовили катапультирующегося робота. Эксперименты с различной его конфигурацией подтвердили, что добавление грузика, имитирующего каплю, и усилителей сопротивления воздуха действительно увеличивают стабильность приземления, доводя его успешность до 75 процентов.

Коллофоры оказались важны и при приземлении. Выяснилось, что при правильном приземлении именно эти отростки первыми касаются воды. Возникающая в этот момент капиллярная сила сцепления гасит энергию падения и препятствует последующим нестабильным подпрыгиваниям, которые ученые наблюдали, заставляя ногохвосток приземляться на сухую поверхность. В совокупности все исследованные авторами механизмы помогают ногохвосткам Isotomurus retardatus быстро и эффективно двигаться по поверхности воды и избегать хищников.

Некоторые ногохвостки предпочитают перемещаться верхом на других насекомых, муравьях и термитах. Про свидетельства такой форезии, найденные в застывшем янтаре, мы рассказывали ранее.