Тайна анатомии рыб сделает подводные дроны энергоэффективными
Математическую модель, описывающую перемещение подводного аппарата с аналогом плавательного пузыря рыбы, построили специалисты МФТИ. Такой подход сделает дроны маневренными и научит их ходить в толще воды, почти не расходуя энергию. Использовать расчёты при конструировании бесшумных и экономичных роботов можно уже сейчас — например, при экологическом мониторинге или скрытом наблюдении. Но выводы ещё предстоит подтвердить опытами, отмечают эксперты. Об этом пишет Известия.
Руководитель лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ Виктор Казанцев рассказал, что механизм использования плавательного пузыря наконец разгадан. У живых организмов и у мягких роботов нулевая плавучесть неустойчива, поэтому в зависимости от того, где расположен орган, аппарат либо тонет, либо всплывает. Стоит ему двинуться — появляется подъёмная сила. Если пузырь помещён в хвостовой части и спущен, корма опускается, а плавники её стабилизируют. При надувании идёт обратный процесс: хвост поднимается. Балансируя между двумя состояниями, робот перемещается. Ни датчики, ни электроника, ни насосы для управления плавучестью не нужны, уточнил учёный. Проверить полученные данные разработчики намерены на уже существующих прототипах.
Расчёты показали: устойчивость наступает после достижения минимальной критической скорости. Если движение медленнее, робот теряет её. Важно и то, чтобы пузырь вместе с плавниками был смещён назад относительно центра аппарата. При слишком быстром ходе или нарушении пропорций система, наоборот, становится нестабильной.
Биоподобные подводные дроны перспективны из-за умения держать плавучесть и зависать на нужной глубине при малых затратах энергии. Мягкий корпус и воздушный пузырь делают аппараты маневреннее, тише и безопаснее для окружающей среды, чем жёсткие аналоги. Но технологию предстоит испытать в реальных условиях: на эффективность повлияют точность управления, давление на разных глубинах, прочность материалов и поведение в течениях, пояснил «Известиям» сооснователь компании-производителя роботов «Промобот» Олег Кивокурцев. Основные сферы применения, по его словам, — мониторинг состояния водоёмов, слежение за морскими животными, изучение подводных экосистем, поиск загрязнений, контроль трубопроводов, гидротехнических сооружений и кабелей. Малошумное движение снижает воздействие на живые организмы, поэтому дроны подойдут и для научных экспедиций, и для длительного скрытого наблюдения. Успешные испытания способны привести к появлению автономных групп роботов, работающих под водой долго и без частой подзарядки.
Роботов-рыб создают во многих странах. Швейцарские инженеры вместе с американскими коллегами сделали универсальную модель, масштабируемую под разные размеры без изменения конструкции: она копирует то, как плавают макрель и атлантическая треска, и имеет жёсткий корпус с гибким хвостом. Китайские разработчики весной показали робота-аравану — обитательницу бассейна Амазонки. Аппарат длиной 69 см, высотой 20 см и массой 3,8 кг разгоняется до 1,9 км/ч и работает до 12 часов на одном заряде аккумулятора.
По мнению эксперта рынка НТИ «Аэронет» Артёма Богатырёва, исследование даёт хорошую теоретическую базу для тихих и энергоэффективных автономных аппаратов. Ценность работы — в практических рекомендациях для конструкторов: авторы указали, где размещать аналог пузыря и плавники и с какой скоростью должен идти аппарат, чтобы сам держал глубину без насосов и постоянной работы системы управления. Сегодня большинство подводных дронов меняют глубину балластными системами, которые перекачивают воду, тратят энергию и шумят. За счёт пассивной стабилизации аппараты смогут дольше работать автономно при длительном слежении за акваториями, морскими экосистемами и подводной инфраструктурой.
Ограничения метода тоже надо учитывать. Модель построена в упрощённой постановке и пока не описывает многие ситуации, с которыми аппарат столкнётся на практике. Методику предстоит испытать на прототипах роботов-рыб. Если расчёты подтвердятся, российские разработчики получат готовый инструмент для проектирования экономичных подводных аппаратов, рассчитанных на долгие автономные миссии.
