Будущие подводные аппараты могут отказаться от привычных гребных винтов и передвигаться почти так же, как настоящие рыбы – изгибая корпус и совершая колебательные движения плавниками. Сделать такие машины эффективнее поможет математическая модель, разработанная специалистами Казанского федерального университета.
Исследователи предложили новый способ расчета движения объектов в жидкости, в котором учитывается эффект так называемой «памяти жидкости». За необычным термином скрывается вполне практическое явление: вода вокруг движущегося тела не возвращается мгновенно в исходное состояние. Созданные объектом потоки и вихри продолжают существовать и влияют на силы, которые будут действовать на него в следующий момент времени.
Для обычного винтового движителя подобные эффекты тоже имеют значение, однако особенно важными они становятся при попытке воспроизвести движение живых существ. Рыба постоянно взаимодействует с потоками, которые сама же создала предыдущими взмахами хвоста и плавников. Поэтому рассматривать каждое новое движение отдельно недостаточно, пишут Известия.
Раньше для различных режимов и конфигураций приходилось получать отдельные расчетные зависимости. Подход КФУ позволяет объединить такие задачи в рамках единого метода и тем самым упростить моделирование сложного движения в жидкости.
Одним из перспективных применений разработки ученые называют биомиметическую робототехнику – создание машин, конструкция и способ передвижения которых заимствованы у живой природы.
Вместо вращающегося пропеллера такой подводный аппарат может использовать гибкий хвост или колеблющиеся плавники. Чтобы добиться нужной скорости и управляемости, инженерам необходимо понимать, какую силу создаст каждое движение и как на следующий взмах повлияют уже возникшие в воде потоки.
Именно здесь становится важна «память». По словам ведущего научного сотрудника лаборатории интеллектуальных биомиметических и природосообразных систем Института математики и механики имени Н. И. Лобачевского КФУ Артема Нуриева, учет истории движения жидкости позволяет точнее рассчитывать воздействие среды на подобные движители.
Потенциальные преимущества рыб-роботов не ограничиваются необычным внешним видом. Аппараты с колебательными движителями могут оказаться маневреннее и менее шумными, чем некоторые традиционные подводные устройства с винтами.
Это открывает достаточно широкий спектр возможных применений: наблюдение за подводными экосистемами, обследование водоемов и гидротехнических сооружений, научные исследования и выполнение задач там, где нежелателен сильный шум от двигателей.
При этом речь пока идет прежде всего о математической основе технологии, а не о готовой серийной роботизированной рыбе. Но именно точные модели позволяют инженерам еще до изготовления прототипа рассчитывать форму и режим работы плавников, оценивать возникающие нагрузки и искать наиболее эффективный способ движения.
В перспективе такой подход способен приблизить подводную робототехнику к решениям, которые природа совершенствовала миллионы лет. Вместо того чтобы заставлять машину буквально «проталкиваться» через воду винтом, инженеры смогут научить ее использовать возникающие потоки – подобно тому, как это делают настоящие рыбы.
