Необычная анатомия микробов оптимизирует вес крыльев

Необычная анатомия микробов оптимизирует вес крыльев. Результаты могут быть полезны при разработке миниатюрных дронов.

Учёные Сколтеха и МГУ раскрыли преимущество микроскопических насекомых, которые получают благодаря своим перистым крыльям, непохожим на крылья стрекоз, пчёл, комаров и других известных насекомых. Крыло, состоящее в основном из щетинок, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, легче обычного перепончатого крыла, состоящего из цельного куска.

Это преимущество имеет решающее значение для микронасекомых, которые испытывают сильное сопротивление воздуха. Они преодолевают его движениями крыльев, напоминающими движения вёсел при гребле. Результаты исследования могут оказаться полезными, когда миниатюризация беспилотных летательных аппаратов размером с насекомое достигнет поистине крошечных, субмиллиметровых размеров. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и помещено на обложку номера.

Малогабаритные дроны, имитирующие некоторые особенности насекомых, пока остаются лабораторной диковинкой, но с дальнейшим развитием технологий они могут оказаться полезными для сбора информации, где компактность, незаметность и скрытность имеют решающее значение. Когда-нибудь стаи дронов, созданных по образу насекомых, могут стать пригодными для поисково- спасательных операций , мониторинга инфраструктуры в ограниченном пространстве, например, в лифтах или вентиляционных шахтах, наблюдения за дикими животными в природе или сбора разведывательной информации.

Самые маленькие управляемые дроны — это Piccolissimo из Пенсильванского университета длиной 2,5 см и весом 2,5 грамма, RoboBee из Гарварда (2012 год) длиной 3 см и весом 0,3 грамма и недавно представленный дрон- комар длиной 1,5 см и весом 0,3 грамма , созданный в Национальном университете оборонных технологий Китая. Последние два используют крылья. В частности, пропеллеры создают больше шума и наносят больший ущерб в случае столкновения.

Помимо очевидных проблем с размером аккумулятора, дальнейшую миниатюризацию затрудняет сама механика полёта. Взять, к примеру, микромикробов: в таких малых масштабах силы вязкого трения воздуха оказываются сравнимыми с силами инерции летающего насекомого. Поэтому этим летунам становится сложнее «пробираться» по воздуху, чем более крупным существам. Соответственно, крылья самых маленьких насекомых устроены неожиданным образом.

«Давно известно, что размер около миллиметра представляет собой своего рода разделительную линию, где у крупных насекомых есть привычные перепончатые крылья, а у многих видов меньшего размера крылья состоят из отдельных щетинок с промежутками между ними. Было неясно, почему», — рассказал ведущий автор исследования, доцент кафедры материаловедения Сколтеха Дмитрий Коломенский.

Вопрос о том, почему микронасекомые используют перистые крылья, имеет не только теоретическое значение. Согласно принципам естественного отбора , ни одно решение, разработанное летающими в природе, не стоит заимствовать для конструкции дронов. Пока форма крыла не будет связана с преимуществами в полёте, всегда остаётся вероятность, что эта конкретная анатомическая структура эволюционировала для привлечения других насекомых, распространения запахов или для множества других целей, бесполезных для дрона.

Авторы исследования Сколтеха и МГУ собрали данные по десятку родственных видов жуков разных размеров, проанализировали строение их крыльев и подтвердили, что наличие перьевидных крыльев хорошо объясняется механическими соображениями.

Неудивительно, что такая конструкция минимизирует массу крыла: если взять пластиковую линейку и убрать из неё большую часть материала, оставив нетронутым лишь первый миллиметр каждого сантиметра, такая гребенчатая структура, несомненно, уменьшит вес. Конечно, она также бесполезна для полётов в мире крупных птиц или даже комаров, но для микронасекомых эта конструкция вполне подходит.«Давно известно, что размер около миллиметра представляет собой своего рода разделительную линию, где у крупных насекомых есть привычные перепончатые крылья, а у многих видов меньшего размера крылья состоят из отдельных щетинок с промежутками между ними. Было неясно, почему», — рассказал ведущий автор исследования, доцент кафедры материаловедения Сколтеха Дмитрий Коломенский.

Мы считаем, что длина и диаметр щетинок в крыле выбраны таким образом, чтобы предотвратить их чрезмерный изгиб. Расстояние между щетинками максимально увеличено, при этом они располагаются достаточно близко друг к другу, чтобы предотвратить поток воздуха через крыло во время полёта. В частности, расстояние примерно в 10 раз превышает диаметр щетинок.

«Дальнейшее увеличение интервалов было бы нецелесообразным для полетов, а расположение щетинок ближе друг к другу сделало бы крыло неоправданно тяжелым», — пояснил соавтор исследования старший научный сотрудник МГУ имени М. В. Ломоносова Петр Петров.

По словам исследователей, пока инженеры борются с проблемой размера аккумулятора и другими техническими препятствиями, препятствующими дальнейшей миниатюризации насекомоподобных дронов, структуры, имитирующие щетинистые крылья, могут найти применение для перекачки жидкостей по сверхтонким трубкам и фильтрации микроскопических частиц. Кроме того, некоторые современные материалы теоретически могут сделать архитектуру щетинистых крыльев осуществимой в несколько больших масштабах, чем в природе.