Российские ученые «взломали» главный секрет полета микронасекомых
Вот уже долгое время, инженеры, вдохновленные природой, пытаются создать летающих роботов размером с насекомое. И если с механизмом машущего полета у более крупных моделей удалось справиться, то с более миниатюрными устройствами начинаются большие проблемы. Причем камень преткновения в этой ситуации — даже не емкость аккумуляторов, а фундаментальные законы физики. Но, похоже, российские ученые смогли обойти все запреты природы.
Дело в том, что существует невидимая граница, примерно на отметке в один миллиметр, где привычные правила аэродинамики перестают работать. Для крупных насекомых, птиц или самолетов воздух — это разреженная среда, которую можно легко раздвигать. Силы инерции позволяют им уверенно рассекать воздушные потоки.
А для крошечных насекомых воздух кардинально преображается. Он густеет, приобретая плотность и вязкость, как, например, у меда. На таком микроскопическом уровне сила вязкости оказывается настолько значительной, что сравнима с силой инерции. Полет превращается в подобие плавания сквозь тягучую патоку.

Жук-титан Nephanes и его щетинистое крыло
Именно поэтому микронасекомым приходится преодолевать сопротивление воздуха с помощью движений, больше напоминающих греблю веслами, а не классический полет. И их крылья эволюционировали, чтобы быть максимально эффективными в этой уникальной среде.
— ведущий автор исследования, доцент Сколтеха Дмитрий Коломенский.
Сегодня самые маленькие управляемые дроны, такие как 2,5-сантиметровый Piccolissimo, 3-сантиметровый RoboBee или недавний 1,5-сантиметровый китайский дрон-комар, лишь подбираются к этой роковой границе. Их пропеллеры или перепончатые крылья создают много шума и несут риски при столкновении.
Чтобы шагнуть в мир субмиллиметровых размеров, инженерам нужно заново учиться у природы. Но тут есть одна очень важная оговорка: не каждый элемент биодизайна будет полезен для работы микродронов.
Исследователи из Сколтеха и Московского университета погрузились в изучение эволюции необычной структуры крыльев жуков. Проведя тщательное исследование десятков близких видов насекомых разных размеров, ученые убедительно доказали, что перьевидные крылья — это результат совершенствования природных механизмов. Они оптимально рассчитаны природой и не являются случайностью.
Одно из очевидных преимуществ такой конструкции — минимальный вес. Чтобы понять, как природе удалось добиться такого облегчения, проведем мысленный эксперимент. Представьте пластиковую линейку. Если удалить с нее большую часть материала, оставив нетронутым только первый миллиметр на каждом сантиметре, то получившаяся гребнеобразная структура окажется значительно легче цельной. Для мира, где каждый микрограмм на счету, это критически важно.
Но легкость не единственный важный фактор. Щетинки на крыле подобраны идеально.
— говорит исследование.
Второй автор научной работы, Петр Петров (старший научный сотрудник МГУ), подчеркнул: дальнейшее расширение промежутков между щетинками негативно скажется на аэродинамических характеристиках крыла. А уплотнение расположения приведет к значительному увеличению массы конструкции, что также нежелательно.
Поэтому эволюция нашла золотую середину: конструкция достаточно ажурна, чтобы быть легкой, и достаточно плотна, чтобы эффективно отталкивать воздух при гребковых движениях. Это блестящее решение задачи оптимизации, которому могут позавидовать современные инженеры.
Пока инженеры всего мира бьются над проблемой создания компактных источников энергии для микродронов, открытие российских ученых уже сейчас показывает, где можно применять щетинистые крылышки, кроме полетов.

Жук Primorskiella и его щетинистое крыло
Например, их можно будет использовать в качестве микронасосов. Они будут гнать капельки по ультратонким трубкам на «лаборатории-на-чипе». Никаких больших насосов, все внутри крошечного чипа.
Также щетинки могут «вычесывать» крупные частицы в одну сторону, мелкие — в другую. Это удобно для отделения клеток, бактерий или микрочастиц.
Кроме того, щетинками можно ловить редкие частицы или молекулы из потока, как сачком.
И это 100% рабочие технологии, так как природа использует их уже сотни миллионов лет. Например, реснички в легких двигают слизь, реснички у малых организмов создают течения.
Современные композитные материалы и сплавы с эффектом памяти формы открывают перед инженерами удивительные перспективы. Они способны воспроизводить щетинистые структуры, превосходящие природные аналоги по размерам. Это создает неограниченные возможности для разработки миниатюрных, сверхлегких и чрезвычайно прочных элементов, пригодных для космических аппаратов и роботов будущего.
И, конечно, это прямой путь к созданию тех самых роев нанодронов. Аппараты, построенные по этому принципу, будут не только невесомыми, но и практически бесшумными. Они смогут проникать в самые недоступные места: для поиска людей под завалами, диагностики состояния узких вентиляционных шахт и трубопроводов, мониторинга экологической обстановки или точечного наблюдения в дикой природе, не пугая животных.
Поэтому исследование российских ученых, опубликованное в авторитетном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, — это не просто объяснение любопытного факта из жизни насекомых. Это ключ к двери, за которой начинается новая эра технологий.
Невидимый барьер микромира
Дело в том, что существует невидимая граница, примерно на отметке в один миллиметр, где привычные правила аэродинамики перестают работать. Для крупных насекомых, птиц или самолетов воздух — это разреженная среда, которую можно легко раздвигать. Силы инерции позволяют им уверенно рассекать воздушные потоки.
А для крошечных насекомых воздух кардинально преображается. Он густеет, приобретая плотность и вязкость, как, например, у меда. На таком микроскопическом уровне сила вязкости оказывается настолько значительной, что сравнима с силой инерции. Полет превращается в подобие плавания сквозь тягучую патоку.

Жук-титан Nephanes и его щетинистое крыло
Именно поэтому микронасекомым приходится преодолевать сопротивление воздуха с помощью движений, больше напоминающих греблю веслами, а не классический полет. И их крылья эволюционировали, чтобы быть максимально эффективными в этой уникальной среде.
Давно известно, что размер около миллиметра является своего рода разделительной линией: более крупные насекомые имеют привычные перепончатые крылья, а у многих мелких видов крылья состоят из отдельных щетинок с промежутками между ними. Было непонятно, почему так происходит
— ведущий автор исследования, доцент Сколтеха Дмитрий Коломенский.
Сегодня самые маленькие управляемые дроны, такие как 2,5-сантиметровый Piccolissimo, 3-сантиметровый RoboBee или недавний 1,5-сантиметровый китайский дрон-комар, лишь подбираются к этой роковой границе. Их пропеллеры или перепончатые крылья создают много шума и несут риски при столкновении.
Чтобы шагнуть в мир субмиллиметровых размеров, инженерам нужно заново учиться у природы. Но тут есть одна очень важная оговорка: не каждый элемент биодизайна будет полезен для работы микродронов.
Расчеты на кончике щетинки
Исследователи из Сколтеха и Московского университета погрузились в изучение эволюции необычной структуры крыльев жуков. Проведя тщательное исследование десятков близких видов насекомых разных размеров, ученые убедительно доказали, что перьевидные крылья — это результат совершенствования природных механизмов. Они оптимально рассчитаны природой и не являются случайностью.
Одно из очевидных преимуществ такой конструкции — минимальный вес. Чтобы понять, как природе удалось добиться такого облегчения, проведем мысленный эксперимент. Представьте пластиковую линейку. Если удалить с нее большую часть материала, оставив нетронутым только первый миллиметр на каждом сантиметре, то получившаяся гребнеобразная структура окажется значительно легче цельной. Для мира, где каждый микрограмм на счету, это критически важно.
Но легкость не единственный важный фактор. Щетинки на крыле подобраны идеально.
Мы считаем, что длина и диаметр щетинок на крыле подобраны таким образом, чтобы предотвратить чрезмерное сгибание. Интервалы между щетинками максимально увеличены, но при этом они расположены достаточно близко друг к другу, чтобы предотвратить прохождение воздуха через крыло во время полета. В частности, интервалы примерно в 10 раз превышают диаметр щетинок
— говорит исследование.
Второй автор научной работы, Петр Петров (старший научный сотрудник МГУ), подчеркнул: дальнейшее расширение промежутков между щетинками негативно скажется на аэродинамических характеристиках крыла. А уплотнение расположения приведет к значительному увеличению массы конструкции, что также нежелательно.
Поэтому эволюция нашла золотую середину: конструкция достаточно ажурна, чтобы быть легкой, и достаточно плотна, чтобы эффективно отталкивать воздух при гребковых движениях. Это блестящее решение задачи оптимизации, которому могут позавидовать современные инженеры.
За пределами полета
Пока инженеры всего мира бьются над проблемой создания компактных источников энергии для микродронов, открытие российских ученых уже сейчас показывает, где можно применять щетинистые крылышки, кроме полетов.

Жук Primorskiella и его щетинистое крыло
Например, их можно будет использовать в качестве микронасосов. Они будут гнать капельки по ультратонким трубкам на «лаборатории-на-чипе». Никаких больших насосов, все внутри крошечного чипа.
Также щетинки могут «вычесывать» крупные частицы в одну сторону, мелкие — в другую. Это удобно для отделения клеток, бактерий или микрочастиц.
Кроме того, щетинками можно ловить редкие частицы или молекулы из потока, как сачком.
И это 100% рабочие технологии, так как природа использует их уже сотни миллионов лет. Например, реснички в легких двигают слизь, реснички у малых организмов создают течения.
Современные композитные материалы и сплавы с эффектом памяти формы открывают перед инженерами удивительные перспективы. Они способны воспроизводить щетинистые структуры, превосходящие природные аналоги по размерам. Это создает неограниченные возможности для разработки миниатюрных, сверхлегких и чрезвычайно прочных элементов, пригодных для космических аппаратов и роботов будущего.
И, конечно, это прямой путь к созданию тех самых роев нанодронов. Аппараты, построенные по этому принципу, будут не только невесомыми, но и практически бесшумными. Они смогут проникать в самые недоступные места: для поиска людей под завалами, диагностики состояния узких вентиляционных шахт и трубопроводов, мониторинга экологической обстановки или точечного наблюдения в дикой природе, не пугая животных.
Поэтому исследование российских ученых, опубликованное в авторитетном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, — это не просто объяснение любопытного факта из жизни насекомых. Это ключ к двери, за которой начинается новая эра технологий.
- Денис Петровский
- techxplore.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Древняя легенда о появлении Ангары оказалась чистой правдой: об этом рассказал российский ученый
Эта была чудовищная катастрофа: мегапоток в считаные часы изменил ландшафт на сотни километров вокруг...
Сокровища, 400 лет пролежавшие на дне, наконец-то, найдены: зря английский король сжег тогда 19 ведьм
Прорыв в поисках произошел, когда применили самые современные технологии...
Энергетическая революция отменяется? Ученые рассказали, как водород убивает современные турбины
Топливо будущего оказалось с таким опасным подвохом, что в пору от него отказаться...
Еще одна тайна Туринской плащаницы: лазер «проявил» то, что скрывалось веками
Почему сейчас ученые уверены: в момент воскрешения Христа изображения на ткани еще не было?...
Был ли император Петр татарином по матери: что говорят документы и ученые?
Эта история имела продолжение: впоследствии родственники царя оказались еще… и «германцами»...
Самый популярный авиалайнер оказался «дырявым»: Boeing-737 взломали за одну минуту «монеткой»
Оказалось, что некоторые устройства в самолете не менялись… еще с прошлого века...
Об этой проблеме не говорят вслух на орбите, но теперь ученые смогут помочь космонавтам
Эксперты говорят: если не исправить сложившуюся ситуации, то о полетах на Марс и дальше можно забыть...
Жизнь без «экранов»: зачем топ-менеджеры Кремниевой долины жестко урезали своим детям доступ к гаджетам?
Двуличие этих людей поражает: для себя одни правила, для миллиардов простых смертных — другие...
Правда ли, что животные в зоопарке страдают, или это давно опровергнутый миф?
Выводы экспертов оказались крайне неоднозначными и в части даже парадоксальными...
Химчистка — опасная зона: ученые рассказали, почему не стоит жить по соседству с такими заведениями
На скрытые точки отравления никто не обращает внимания, но они порой опаснее заводов и фабрик...
Зловещий секрет 2000-летних рисунков: стало известно, из чего делали несмываемую краску в Древнем Китае
Особый ингредиент буквально заставлял краску врастать в поверхность скалы...
«Дырявые» спутники: в программах NASA нашли лазейку для хакеров
Очень удивительно, как террористы еще не захватили контроль над орбитальными аппаратами...
Неожиданное открытие: талая вода Гренландии усиливает аномальную жару в Европе
Ученые предупреждают: уже через несколько лет европейцы будут вспоминать нынешнее лето как приятную прохладу...
Китайские «россияне» оказались самыми высокими людьми в последний ледниковый период
Ученые говорят, что денисовцы из Тайваня нарушали основные законы эволюции и приспособления...