Долгое время считалось, что большинство насекомых в полете нестабильны и нуждаются в постоянной нейронной корректировке. Новая модель опровергла это представление. Ученые обнаружили состояние «антирезонанса» — математическую точку равновесия, в которой инерция крыльев и движения тела обеспечивают автоматическую устойчивость, даже при турбулентности. Оказалось, что пассивная стабильность в природе встречается значительно чаще, чем предполагалось.
Математики впервые показали, как птицы сохраняют устойчивость в полете
Исследователи Корнельского университета создали трехмерную вычислительную модель, которая расшифровывает физику устойчивого полета насекомых и птиц. Открытие связывает эволюционную биологию с робототехникой и позволяет проектировать машущие дроны принципиально нового типа.
Дроны учатся летать у насекомых и птиц. Cornell University
Что такое пассивная устойчивость в полете. Активная устойчивость требует непрерывных нервных сигналов для корректировки траектории. Пассивная — достигается самой физической конструкцией тела и крыльев без участия нервной системы. Антирезонанс — это особый режим, при котором колебания крыльев и тела взаимно гасят дестабилизирующие возмущения. Аналог в технике — маятниковый гаситель колебаний в небоскребах.
Фазовая диаграмма в трехмерном морфологическом пространстве и аналитическая граница устойчивости. Анимация графика в трехмерном морфологическом пространстве, представленного на рисунке 4(d). Для наглядности различные области полета выделяются поочередно. Затем наносится аналитическая граница устойчивости, чтобы продемонстрировать, насколько точно она аппроксимирует переход от полета вверх к петлевому полету.
Чтобы описать сложную динамику полета, исследователи свели трехмерные симуляции к модели из пяти ключевых переменных: отношение масс крыльев и тела, нагрузка на крыло, положение шарнира, частота взмахов и амплитуда. Эти параметры образуют «пятимерное пространство», отражающее взаимосвязь формы тела птицы и ее движений. Анализ этого пространства дал две формулы, определяющие зону антирезонанса. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Дроны и эволюция
Дрон в полете.
Полученные результаты открывают прямой путь к созданию машущих микродронов, изначально устойчивых в полете. Это снижает потребность в тяжелых датчиках обратной связи и упрощает конструкцию. Профессор физики и аэрокосмической инженерии Корнелла Джейн Ван отметила, что расширение морфологического пространства в модели показало: прежние исследования охватывали лишь ничтожную долю реального разнообразия насекомых и птиц.
Помимо робототехники, модель предлагает быстрый вычислительный метод классификации крылатых видов и реконструкции эволюционных путей. Она может объяснить, почему за миллионы лет отбирались именно те или иные формы крыльев и частоты взмахов.