Вот так свободно плавающая болотная креветка (Палеэмонетес обыкновенный) движется вперед, используя метахронную локомоцию, чтобы уменьшить сопротивление.
креветка болотная (Палеэмонетес обыкновенный) впечатляюще быстрые и проворные пловцы, что может подтвердить любой, кто видел, как они мчатся по приливным лужам на пляже. Нильс Тэк, научный сотрудник Брауновского университета, изучает биомеханику и гидродинамику того, как эти маленькие существа справляются с этой задачей. Он представил свои последние открытия на недавнем собрании Американского физического общества по гидродинамике в Индианаполисе. По сути, креветка использует свои гибкие и близко расположенные ноги, чтобы значительно уменьшить сопротивление. Полученные данные помогут ученым разработать более эффективных биороботов для исследования и наблюдения за подводной средой.
Тэк по образованию биолог, в настоящее время работает в лаборатории Моники Вильхельмус. Ранее в этом году группа представила RoboKrill, небольшого одноногого робота, напечатанного на 3D-принтере, который имитирует движения ног криля.Евфазия гордая), поэтому он может плавно двигаться в подводной среде. Конечно, робот значительно больше настоящего криля — на самом деле примерно в 10 раз больше. Но сложно хранить и изучать криль в лаборатории. «Нога» РобоКрилла скопировала структуру плавательных плавников криля с парой придатков, приводимых в действие шестернями, и Вильгельмус и другие. использовал высокоскоростную визуализацию, чтобы измерить угол его придатков, когда он двигался в воде. RoboKrill не только создавал узоры, похожие на настоящий криль, но и мог имитировать динамику плавания других организмов, регулируя придатки. Они надеются однажды использовать робота для наблюдения за стаями криля в дикой природе.
Что касается стиля плавания болотной креветки, предыдущие исследования показали, что эти существа могут максимизировать толчок вперед благодаря жесткости и увеличенной площади поверхности их ног. В этом исследовании ноги (также известные как плеоподы) рассматривались как весла или плоские пластины, толкающие воду. Но никто не смотрел внимательно, как гнутся ноги во время восстановительных гребков. «Это очень сложная система», — сказал Тэк во время брифинга на встрече. «Мы пытаемся приблизиться [the topic] под двумя углами, глядя на жидкость и глядя на механические свойства ног».
Видео потока, создаваемого болотной креветкой во время метахронного передвижения, с использованием велосиметрии изображения частиц в светлом поле.
В частности, Тэк и его коллеги засеяли воду микроскопическими частицами, что позволило им отслеживать и вычислять характеристики скорости и направления потока, использовали велосиметрию изображения частиц в светлом поле (PIV) для визуализации потока жидкости вокруг бьющихся ног креветки. Они также изучили механические свойства ножек креветок — непростая задача, поскольку каждая ножка размером примерно с песчинку. «В основном мы нажимали на ноги с известной силой, чтобы увидеть, как они гнутся», — сказал Тэк.
Этот двойной подход позволил команде определить два ключевых механизма снижения сопротивления. Во-первых, согласно Тэксу, они отметили большую разницу в паттернах между рабочим ходом, создающим тягу, и возвратным ходом. «Мы обнаружили, что ноги примерно в два раза более гибкие во время восстановительного гребка и сильно сгибаются», — сказал он. «Они остаются почти горизонтальными относительно направления, в котором они плывут». Результатом является меньшее прямое взаимодействие с водой и уменьшенный след (меньшие вихри), в отличие от рабочего гребка, где нога остается очень жесткой, чтобы максимизировать взаимодействие с водой.
Во-вторых, значимой оказалась и группировка плеопод при восстановительном инсульте. «Всякий раз, когда они возвращают ноги в исходное положение, они держат их близко друг к другу в течение 100% времени», — сказал Тэк. Это возможно благодаря гибкости, которая создает плотное уплотнение между ногами креветки. Таким образом, вместо того, чтобы три ноги двигались по отдельности, их ноги, по сути, двигаются как одна, что значительно снижает сопротивление. «Они бьют ногами шесть раз в секунду в течение нескольких часов, так что это потенциально много энергии, которую они не тратят впустую», — сказал Тэк. Он и его коллеги будут соответствующим образом адаптировать дизайн своего робота, вдохновленного травяными креветками.
Изображение списка Смитсоновского центра экологических исследований / CC BY 2.0
