Океаны образуют обширную и сложную экосистему, играющую фундаментальную роль в формировании климата планеты, биоразнообразия и общего состояния здоровья. Поэтому обеспечение их благополучия имеет важное значение для будущего нашей планеты. В этом контексте автономные подводные аппараты (АПА) играют решающую роль, позволяя исследовать океан и морское дно, а также отслеживать морскую флору и фауну. Значительная часть морского биоразнообразия обитает вблизи морского дна, в районе, который трудно исследовать, не нарушая его хрупкого баланса. Биологическая инспирация предлагает мощный подход к проектированию роботизированных систем, способных взаимодействовать со сложной средой, имитируя биологические стратегии.
Биомиметика предлагает многообещающее решение многих технических проблем — изучая структуру и движение морских организмов, исследователи могут разрабатывать роботов, в которых многие узлы и компоненты имитируют природные аналоги. Эти роботы могут перемещаться по океану более эффективно, манёвренно, менее инвазивно и лучше адаптироваться к окружающей среде и её обитателям. Водные животные используют различные стратегии передвижения, которые можно условно разделить на:
1. передвижение с помощью тела и/или хвостового плавника;
2. движение с помощью срединных и/или парных плавников;
Первый тип использует волнообразные или колебательные движения тела и хвоста — он наблюдается у таких видов, как угри (ангуилообразные), форель (субкарангиформные), скумбрия (карангиформные) и тунец (тунцеобразные), что обеспечивает эффективное перемещение под водой с возможностью быстрого ускорения. Вторая разновидность использует движения срединных или парных плавников (спинной, анальный или грудные плавники), что позволяет точно маневрировать и удерживать позицию. Примерами являются передвижение с помощью раджиформных плавников у скатов и лабриформное плавание у губанов.
К дополнительным способам передвижения относятся реактивная тяга у головоногих моллюсков, гребля с использованием сопротивления у амфибий и полуводных млекопитающих, а также маховые движения с использованием подъёмной силы у пингвинов и морских черепах. Эти разнообразные стратегии отражают эволюционные адаптации к конкретным экологическим нишам и гидродинамическим требованиям.
Каракатицы, относящиеся к классу головоногих моллюсков, обладают двумя различными механизмами плавания, каждый из которых соответствует различным поведенческим потребностям. Когда требуется быстрое движение, например, во время охоты, спасения от хищников или внезапной смены положения, они используют реактивную тягу, с силой выталкивая воду под давлением через сифон, расположенный под ртом. Этот механизм позволяет быстро двигаться назад, но по своей природе является однонаправленным из-за фиксированного положения сифона на теле каракатицы. Напротив, при перемещении вблизи морского дна или выполнении точных манёвров, эти уникальные существа полагаются на волнообразное движение своих боковых плавников. Такой способ передвижения позволяет двигаться как вперёд, так и назад, обеспечивая высокую степень контроля и стабильности на низких скоростях. В отличие от реактивной тяги, оптимизированной для кратковременных ускорений, волнообразное движение плавников позволяет точно корректировать траекторию и положение. Этот уникальный механизм плавания также позволяет каракатице совершать повороты на месте, создавая встречные волны на своих двух плавниках.
Это мягкотелое беспозвоночное, как и другие представители своего класса, не имеет жёстких скелетных структур, полагаясь вместо этого на систему мышечных гидростатов, где сокращения мышц генерируют движение, поддерживая при этом постоянный объём, что обеспечивает высокую степень гибкости и контроля над движениями тела и плавников. Волнообразное движение с использованием плавников особенно актуально для исследований, направленных на контролируемое, эффективное и не вызывающее нарушений перемещение в воде. Примечательно, что каракатицы могут совершать повороты на месте, генерируя встречно распространяющиеся волны на своих двух плавниках.
Независимо контролируя частоту и направление волн на каждом плавнике, они могут изменять радиус их кривизны, что позволяет им выполнять сложные перемещения с поразительной ловкостью. Поскольку внутренний край плавника прикреплён к телу и остаётся неподвижным, амплитуда волны вдоль поперечного направления плавника напрямую зависит от расстояния до точки прикрепления. Кроме того, эти морские животные демонстрируют значительную изменчивость в размерах и форме тела.
Сочетание плавного, двунаправленного перемещения и точной манёвренности делает его привлекательной моделью для биоинспирированных подводных роботизированных систем, особенно тех, которые занимаются ремонтом подводного оптоволоконного кабеля, соединяющего дата-центры на разных континентах. Учёным уже удалось воспроизвести гидродинамику генерации силы в волнообразном механическом плавнике, приводимом в движение сплавом с памятью формы, с автоматическим адаптивным перестроением гидродинамики и генерацией силы, а также переменными кинематическими параметрами (амплитуда, частота и длина волны), которые существенно влияют на тягу.
Влияние различных схем волнообразного движения рёбер на скорость, силу и структуру вихрей было оценено с помощью численного моделирования, которое показало, что волнообразное движение с постоянной амплитудой обеспечивает оптимизированную производительность. Понимание сложных взаимодействий между кинематикой плавника и окружающей жидкостью имеет важное значение для полного использования потенциала волнообразного движения, позволяя создавать биомиметические аналоги биологических систем. Но, в отличие от биологических прототипов, которые могут динамически адаптировать движения плавников, роботизированные системы полагаются на целенаправленную настройку. А всесторонний научный анализ создаёт надёжную основу для принятия таких проектных решений, позволяя настраивать характеристики в широком диапазоне подводных применений.
Результаты исследований подводной фауны дают ценные сведения о переходных процессах ускорения, динамике следа и распределении сил, связанных с движением плавника. Копирование природных механизмов демонстрирует эффективность биомиметических подходов в разработке передовых рукотворных подводных систем. В частности, полученные результаты подчёркивают потенциальные преимущества принципа движений, с точки зрения оптимизации энергопотребления и безопасности. Важно отметить, что в реальных биологических и инженерных системах кинематические параметры, управляющие движением волнообразных плавников, а именно частота, длина волны и амплитуда, неразрывно связаны. Распределённое движение плавников снижает риск механических повреждений при взаимодействии с хрупкими предметами, морскими организмами или сложной природной средой, предлагая при этом стратегию движения, которая уравновешивает эффективность с минимальным воздействием на окружающую среду. Такой подход позволит исследовать эффекты взаимодействия и компромиссы, возникающие в практическом проектировании подводных роботов, где эффективность движения определяется скоординированной настройкой множества кинематических переменных.
