Биолог, ученый-материаловед и специалист по бионике, профессор Станислав Н. Горб и его команда из Института зоологии Кильского университета известны тем, что анализируют впечатляющие способности животных и воплощают их в инновационные технические приложения. Например, они создали роботизированные захваты на основе модели насекомых и съемной клейкой пленки, которая работает аналогично клеевым органам насекомых, пауков и гекконов.
В статье, только что опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Горб исследовал китайского рисового кузнечика Oxya chinensis в сотрудничестве с исследователями из Китая. «Их способность плавать и выпрыгивать из воды является важным источником вдохновения для передовой робототехники», — пояснил глава рабочей группы по функциональной морфологии и биомеханике.
Чрезвычайно быстрое передвижение кузнечика по поверхности воды, особенно то, как он прыгает в воде, до сих пор практически не исследовано. «Наша работа не только выявила комбинированные механизмы, отвечающие за облегчение водной акробатики у этого вида, но и заложила основы для разработки биоинспирированных роботов, которые могут передвигаться по разнообразной местности», — сказал Горб.
Водная акробатика посредством сочетания статических и динамических сил.
Китайский рисовый кузнечик широко распространен в рисоводческих регионах Китая, особенно вдоль реки Янцзы, и особенно хорош в водной акробатике среди наземных животных. Если они упадут в воду, то легко смогут выбраться снова и улететь.
Как именно они это делают, детально изучено в лаборатории. Для эксперимента 15 кузнечиков (O. chinensis) длиной тела (без учета ног) от 2,2 до 3,4 сантиметра и массой от 0,4 до 1,0 грамма были брошены в стеклянный резервуар, полный воды. Они либо оставались совершенно бездействующими на поверхности воды, пассивно дрейфовали по течению, активно плавали, либо сразу выпрыгивали.
«Мы снимали кузнечиков, когда они плавали в резервуаре с водой или выпрыгивали из него, с помощью двух высокоскоростных камер», — рассказал Горб. Всего в дальнейший анализ были включены 48 попыток прыжка и 54 попытки животных плавать. Исследователи сравнили прыжки и плавание, а затем проанализировали механизмы, используемые кузнечиками для создания сил, которые облегчают их водную акробатику.
Измерения сил и анализ моделей показали, что поддержка веса тела за счет гидростатического давления может быть достигнута пропорционально массе кузнечиков, в то время как двигательные импульсы возникают в результате контролируемого взаимодействия между конечностями и водой (т. е. гидродинамика).
Новая стратегия привода для робототехники
Предыдущие исследования были сосредоточены в первую очередь на двух типах передвижения по поверхности воды: локомоции, которая в основном поддерживается за счет поверхностного натяжения , используемого, например, водомерками, и локомоции, в которой преобладает особая динамика конечностей. Это используется, например, ящерицами-василисками для бега по воде. Ни одна из стратегий не идеальна для биоинспирированных технических приложений.
«Передвижение, в котором преобладает поверхностное натяжение в воде, зависит от супергидрофобных (не смачиваемых) поверхностей, чего нелегко достичь для больших роботов. А водное передвижение , в котором доминирует динамика конечностей, основано на частых ударах по поверхности, как животными, а также роботами, которые потребляют слишком много энергии», — сообщил Горб.
Способность китайского рисового кузнечика выпрыгивать из воды основана на другом принципе движения, обнаруженном сейчас впервые. «Кузнечик продемонстрировал комбинацию двух разных механизмов, облегчающих водную акробатику, поддерживая свой вес за счет статических гидросил и перемещая свое тело вперед за счет гидродинамики».
Изучив структурные и поведенческие стратегии кузнечиков, Горб и его команда построили своего первого робота. Как и насекомые, прототип может плавать и прыгать по поверхности воды, двигая конечностями с различной скоростью.
