Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) разработали математическую модель движения подводных аппаратов, использующих аналог плавательного пузыря рыб. Расчеты открывают путь к созданию биоподобных дронов, способных автономно перемещаться под водой с минимальными затратами энергии. Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Об этом CNews сообщили представители МФТИ.
Точный контроль и стабилизация глубины — критически важная задача для широкого спектра подводных систем, от живых организмов до автономных подводных аппаратов. В природе костистые рыбы решают эту проблему с помощью плавательного пузыря, который сочетает пассивные и активные механизмы регуляции плавучести. Однако такие рыбы находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Это происходит из-за пассивного изменения объема газа в пузыре с глубиной в соответствии с законом Бойля-Мариотта. Активный физиологический механизм газообмена позволяет регулировать объем газа, но это занимает время.
В настоящее время большинство подводных дронов меняют глубину с помощью балластных систем, которые перекачивают воду, тратят энергию и создают шум. Новое исследование показало, что пассивная стабилизация может заметно продлить автономную работу аппаратов при длительном мониторинге акваторий.
«Мы наконец выяснили, как рыба использует плавательный пузырь. В рыбоподобных роботах с мягким корпусом и изменяющимся объемом, как и у живых организмов, состояние нулевой плавучести неустойчиво. Поэтому в зависимости от положения пузыря они либо тонут, либо всплывают. Однако если рыба двигается, то появляется подъемная сила. Если разместить пузырь в хвостовой части и спустить его, задняя часть аппарата начнет опускаться, но плавники будут ее стабилизировать. При надувании происходит обратный процесс — хвост начинает подниматься. Таким образом, балансируя между этими состояниями, робот может перемещаться», — сказал руководитель лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ Виктор Казанцев.
Согласно результатам исследования, устойчивость возникает при поступательном движении за счет динамической связи между тангажом и вертикальным смещением: для этого и пузырь, и точка приложения подъемной силы должны быть смещены назад относительно центра масс. Анализ показал, что стабилизация достигается после нижнего порога скорости, однако при слишком высокой скорости устойчивость снова теряется из-за скоростно-геометрического фактора.
Технологии предстоит пройти испытания в реальных условиях. На эффективность будут влиять давление на разных глубинах, прочность материалов, устойчивость к течениям и точность управления.
«Основные области применения таких дронов — экологический мониторинг водоемов, изучение морских животных, исследование подводных экосистем, поиск загрязнений и контроль состояния трубопроводов. Биоподобная конструкция особенно интересна для экологического мониторинга и наблюдения за животными, где важно минимизировать воздействие аппарата на окружающую среду», — сказал автор работы исследователь лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ Назар Исмаилов.
Разработчики планируют проверить полученные данные на имеющихся прототипах устройств. Если расчеты подтвердятся, российские специалисты получат инструмент для проектирования экономичных подводных аппаратов, способных совершать длительные автономные миссии.
Все данные и код модели находятся в открытом доступе на GitHub.
Поделиться
