Новый робот плавает и прыгает, как китайский рисовый кузнечик

Кузнечик вида Oxya chinensis умеет молниеносно выпрыгивать из воды. Эта заманчивая способность привела тому, что китайский рисовый кузнечик, как ещё называют это насекомое, вдохновил роботетехников из Германии.


Профессор Станислав Горб из Кильского университета — биолог, материаловед и специалист по бионике, то есть науке о способностях животных, полезных для создания промышленных аналогов. Профессор Горб сотоварищи получили известность среди робототехников благодаря тому, что заимствовали секреты разной живности для технических новаций. Например, ранее они создали захваты робота на основе клейкой плёнки и аналога лапок насекомых, пауков и гекконов, благодаря которым те бегают по стенам.

И вот Горб с коллегами в сотрудничестве с исследователями из Китая изучили того самого кузнечика Oxya chinensis. Этих прыгунов-летунов часто можно встретить вдоль реки Янцзы. И если они плюхнутся ненароком в воду, то могут легко выбраться и улететь. В общем, способность этого существа плавать и выпрыгивать из воды очаровала специалистов по биомеханике.

Чрезвычайно быстрое передвижение кузнечика по воды и то, как он сигает из неё до сих пор досконально не изучалось. Тем более с прицелом на создание аналогичных роботов.



Сначала в лаборатории пристально рассмотрели, как именно O. chinensis это делают. Для эксперимента 15 особей длиной от 2,2 до 3,4 см (без учёта лапок) и весом от 0,4 г до 1 г бросали в стеклянную ванночку. Вели себя подопытные по-разному: одни замирали на поверхности воды, другие вяло дрейфовали, третьи принимались бодро плыть, а четвёртые сразу же выпрыгивали.

Затем учёные сосредоточились только на тех видео, на которых кузнечики плавали либо выпрыгивали из жидкости. Съёмки с помощью двух высокоскоростных камер позволили проанализировать 48 прыжков и 54 «заплыва». Исследователи сравнили все движения, а затем вникли в механизмы для понимания, как кузнечикам удавалась их акробатика.

Предыдущие похожие исследования фокусировались на двух типах передвижения по поверхности воды. Первый зависит от поверхностного натяжения, которое используют водомерки. Второе обеспечивается исключительно работой лапок животного. Пример тому — бег по воде ящериц-василисков.

Но ни одна из двух динамических стратегий не была идеальной для создания роботов. Для скольжения по воде наподобие водомерок роботам понадобились бы предельно гидрофобные (не смачиваемые) поверхности. А для больших роботов это было просто нереально. А чтобы молотить конечностями по воде со скоростью василиска робот затрачивал бы слишком много энергии.

Умение китайского кузнечика выпрыгивать из воды основано на другом принципе, который команда профессора Горба описала впервые. С точки зрения физики всё оказалось связано с гидростатическим давлением, пропорциональным массе кузнечиков. А движущие силы зависели от взаимодействия лапок с водой, то есть подчинялись законам гидродинамики. Иными словами, китайский кузнечик сочетает комбинацию техник и водомерок, и василисков: его весу противостоят статические гидросилы, а поступательное движение вперёд происходит за счёт гидродинамики.

После изучения структуры движений и поведенческих стратегий Oxya chinensis Горб и его команда построили действующий образец своего первого робота. Подобно насекомым, прототип может плавать и выпрыгивать из воды, двигая конечностями с разной скоростью.

К сожалению, соответствующее видео на ютьюбе ещё не появилось, так что короткую съёмку можно найти по ссылке.