Ученые из университетов Гронингена (Нидерланды) и Стэнфорда (США) разработали роботизированную модель голубя. Благодаря ей удалось установить, каким образом птицы способны сохранять контроль в полете, не используя руль направления – ключевого элемента управления для летательных аппаратов.
У птиц, парящих в воздухе, отсутствует вертикальный хвостовой киль, однако они поддерживают устойчивость при турбулентности, не требуя дополнительных закрылков. Самолетам, в свою очередь, необходимо вертикальное оперение для управления направлением и избежания крена, вызванного эффектом, известным как «голландский шаг». Эти колебания, напоминающие движения фигуристов, возникают, когда поперечная устойчивость летательного аппарата превышает продольную.
Если птицы не нуждаются в вертикальном стабилизаторе благодаря постоянной модификации формы своих крыльев и хвоста, то современные пилоты обеспечивают устойчивость при крене, тангаже (подъеме/понижении носа) и рысканию благодаря рулям направления и элеронам крыла. Это три угла поворота, задающие ориентацию летательного аппарата относительно нормальной системы координат или его центра инерции по трем осям.
По мнению исследователей, стабилизация тангажа также может быть достигнута посредством стреловидности крыла самолета или загнутых аэродинамических профилей, поэтому от горизонтального оперения можно отказаться. Иное дело — оперение вертикальное, обеспечивающее «железной птице» путевую устойчивость, управляемость и балансировку относительно вертикальной оси.
Для демонстрации постоянной корректировки формы крыльев и хвоста птицами, исследователи создали роботизированную модель PigeonBot II. Она включает в себя биомиметический скелет и 52 настоящих голубиных перья (40 маховых и 12 хвостовых), формирующих крылья и хвост, способные раскрываться, подниматься и наклоняться в разные стороны. В ее конструкцию встроен алгоритм, воспроизводящий нервно-мышечные рефлексы, которые, как полагают, птицы используют для стабилизации полета.
Приблизительный вес модели – около 300 граммов, что соответствует массе голубей. В конструкцию также входят девять сервоприводов и два небольших пропеллера, установленных на каждом запястье, что позволяет роботу подниматься, кружить, опускаться и летать в различных позах.
Сначала ученые провели испытания в аэродинамической трубе, не используя пропеллеры, для настройки адаптивного рефлексивного контроллера. Благодаря этому роботу удалось уменьшить воздействие турбулентных потоков и успешно выполнить эксперимент на открытом воздухе.
По мнению ученых, их разработка позволит создать более экономичную и облегченную конструкцию летательного аппарата, отказавшись от вертикального оперения. Также, данное решение может уменьшить радиолокационную отражаемость военных самолетов, что повысит их боевую эффективность.
Научная работа опубликована в журнале Science Robotics.