Защитные очки плотно прилегают, ремешок на подбородке надежный. Условия спокойные, лазеры готовы; воздух наполнен мельчайшими аэрозольными частицами, готовыми разлететься и отследить движение при малейшем нарушении. Дождитесь сигнала. Исследователь указывает. Птица летит!
Это просто еще один день в офисе для попугая по имени Оби.
Будучи аспирантом, работавшим с инженером-механиком Стэнфордского университета Дэвидом Лентинком, Эрик Гутьеррес обучил этого представителя второго по величине вида попугаев точно измерять вихри, которые он создает во время полета. Их результаты, опубликованные в выпуске журнала Bioinspiration and Biomimetics от 6 декабря, помогают объяснить, как животные генерируют достаточную подъемную силу для полета, и могут иметь значение для конструкции летающих роботов и дронов..
«Целью нашего исследования было сравнить очень часто используемые в литературе модели, чтобы выяснить, какую подъемную силу создает птица или другое летающее животное в зависимости от своего следа», - сказала Диана Чин, аспирант в лаборатории Лентинка и соавтора исследования. «Мы обнаружили, что все три модели, которые мы опробовали, были очень неточными, потому что они делают предположения, которые не обязательно верны».
Ученые полагаются на эти модели, разработанные для интерпретации воздушного потока, создаваемого летающими животными, чтобы понять, как животные поддерживают свой вес во время полета. На результаты обычно ссылаются при работе над летающими роботами и дронами, вдохновленными биологией этих животных. Биоподобные роботы - специальность Лентинка: его ученики разработали первого машущего робота, который может взлетать и приземляться вертикально, как насекомое, и быстроходного робота с крыльями, которые деформируются при пикировании и скольжении.
Птицы в очках
Для этого эксперимента Гутьеррес, ведущий автор исследования и бывший аспирант лаборатории Лентинка, изготовил очки размером с попугая, используя линзы из защитных очков для человека, напечатанные на 3D-принтере, и ветеринарную ленту. На очках также были отражающие маркеры сбоку, чтобы исследователи могли отслеживать скорость птицы. Затем он научил Оби носить очки и летать с насеста на насест.
После обучения птица пролетела сквозь лазерный лист, который освещал нетоксичные аэрозольные частицы микронного размера. Когда птица пролетала через засеянный лазерный лист, движение ее крыльев мешало частицам, создавая подробную запись вихрей, созданных полетом.
Эти частицы, кружащиеся от кончиков крыльев Оби, создали самую четкую на сегодняшний день картину следа, оставленного летающим животным. Прошлые измерения проводились на расстоянии нескольких взмахов крыльев позади животного, и они предсказали, что создаваемые животными вихри остаются относительно замороженными с течением времени, как инверсионные следы самолета, прежде чем они рассеются. Но измерения, проведенные в этой работе, показали, что вихри на кончиках птиц неожиданно резко распадаются.
Теперь, в то время как разрушение вихря происходит далеко за самолетом - например, на расстоянии более тысячи метров - у птиц это может произойти очень близко к птице, в течение двух или трех взмахов крыльев, и это гораздо более сильно, - сказал Лентинк, главный автор статьи.
Три теории
Вопрос заключался в том, верны ли модели подъемной силы, основанные на неточном представлении о следе животного.
Команда применила каждую из трех преобладающих моделей к фактическим измерениям, которые они записали, и на их основе получили три разные оценки величины подъемной силы, создаваемой Оби при каждом взмахе крыла. Затем они сравнили эти расчетные оценки подъемной силы с фактической подъемной силой, измеренной в предыдущем исследовании, проведенном с использованием чувствительного устройства, разработанного в лаборатории Лентинка. (Инструмент, аэродинамическая силовая платформа, настолько чувствителен, что чуть не сломался, когда они тестировали прототип, засунув внутрь полностью надутый воздушный шар, - сказал Лентинк.)
Они обнаружили, что в той или иной степени все три модели не смогли предсказать фактическую подъемную силу, создаваемую машущим попугаем.
Нужны новые модели
Это исследование выдвигает на первый план проблемы в разработке летающих роботов, основанные на том, что известно о полете животных. Различия между тремя моделями, а также разнообразие животных, участвовавших в более ранних исследованиях, включая другие виды птиц, летучих мышей и насекомых, делают сравнение в литературе чрезвычайно сложным. Как показывает проблематичная производительность текущих опций, решением может стать совершенно новая модель.
«Многие люди смотрят на результаты в литературе по полетам животных, чтобы понять, как можно улучшить конструкцию крыльев роботов», - сказал Лентинк. «Теперь мы показали, что уравнения, которые использовали люди, не так надежны, как надеялось сообщество. Нам нужны новые исследования, новые методы, чтобы действительно информировать этот процесс проектирования гораздо более надежно."
Лентинк считает, что новый метод, разработанный в его лаборатории, предназначенный для непосредственного измерения силы, может быть объединен с подробными измерениями потока, чтобы лучше анализировать и моделировать аэродинамические явления, связанные с полетом животных.