Почему птицы летают лучше дронов и когда техника догонит природу

Учёные скопировали движения пустельги, чтобы научить дроны летать как птицы.

Птицы умеют зависать в воздухе и сохранять устойчивость даже при сильных порывах ветра — эволюция оттачивала этот навык миллионы лет. Современные дроны в таких условиях часто теряют управление. Инженеры из Королевского Мельбурнского технологического института и Бристольского университета решили разобраться в птичьем секрете и создали робота, который имитирует движения пустельги. С помощью системы захвата движений в аэродинамической трубе учёные выяснили, что пустельга сохраняет устойчивость не за счёт резких манёвров, а благодаря непрерывным микрокорректировкам. Она постоянно, почти незаметно подстраивает положение крыльев, хвоста и корпуса под малейшие изменения воздушного потока. В отличие от неё, большинство дронов реагируют только на уже возникшие отклонения — они догоняют проблему, а не предотвращают её, сообщают "Известия".

Турбулентность остаётся главным врагом беспилотников, и это касается не только техники, но даже птиц — они тоже не всегда справляются с сильным ветром. Но исследования показывают, что небольшие дроны страдают от порывов гораздо сильнее, чем птицы аналогичного размера. Природа использует целый арсенал приёмов: гибкие крылья, сенсорную систему, пассивную стабилизацию и мгновенную корректировку движений. Современные беспилотники пока могут воспроизвести лишь отдельные элементы.

Первые успехи уже есть: в Федеральной политехнической школе Лозанны создали дрон с адаптивными крыльями, который оказался на 11,5% энергоэффективнее и устойчивее при турбулентности. Американские учёные разработали алгоритм, который снижает влияние порывов ветра на 84% с помощью всего трёх датчиков. Однако до массового внедрения таких решений ещё далеко.

Главная проблема в том, что у современных дронов фактически один принцип создания тяги — пропеллер, и его можно только видоизменять, а не заменить. А вот воспроизвести пассивную стабилизацию, которая есть у птиц, инженеры пока не могут. Крылья птиц работают как автомобильная подвеска: при резком порыве ветра они автоматически отклоняются в плечевых суставах, снижая нагрузку на корпус ещё до того, как мозг успеет среагировать. Эксперименты показали, что такой механизм уменьшает импульс, передаваемый телу птицы, примерно на 32% в первые 80 миллисекунд. Кроме того, у основания перьев у птиц есть механорецепторы, которые мгновенно фиксируют изменения воздушного потока — когда их временно отключали у сов, точность управления полётом заметно падала. Но воспроизвести изменяемый профиль крыла с помощью современных технологий крайне сложно: для этого пришлось бы запихнуть внутрь крыла множество механических деталей, а это делает конструкцию тяжёлой, дорогой и менее надёжной.

Эксперты считают, что будущее биоинспирированной авиации не столько за внешним сходством с птицами, сколько за новыми материалами — в частности, электроактивными полимерами, так называемыми искусственными мышцами. Они способны менять форму под действием электрического сигнала и не требуют сложных механических узлов. Пока для значительной деформации таких материалов нужно очень высокое напряжение — десятки киловольт, но учёные уже разрабатывают полимеры, которым достаточно нескольких киловольт. Если технология продолжит развиваться, беспилотники будущего смогут стать тише, легче, надёжнее и гораздо больше похожими на птиц не только внешне, но и по принципам полёта.