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.

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.



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.

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.


— 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.



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.