Команда, возглавляемая Пенсильванским университетом, опубликовала свои результаты сегодня (18 ноября) в Научные достижения.

Чтобы провести эксперимент, исследователи изменили длину крыльев анестезированных плодовых мух, имитируя травму, которую могут получить летающие насекомые. Затем они подвесили мух в кольце виртуальной реальности. Имитируя то, что мухи видели бы в полете, исследователи воспроизводили виртуальные изображения на крошечных экранах в кольце, заставляя мух двигаться так, как будто они летят.

"Мы обнаружили, что мухи компенсируют свои травмы, сильнее взмахивая поврежденным крылом и снижая скорость здорового", - сказал автор-корреспондент Жан-Мишель Монжо, доцент кафедры машиностроения Пенсильванского университета. "Они достигают этого, модулируя сигналы в своей нервной системе, что позволяет им точно настраивать свой полет даже после травмы".

Сильнее взмахивая поврежденным крылом, плодовые мушки обменивают некоторую производительность - которая лишь незначительно снижается - на поддержание стабильности за счет активного увеличения демпфирования.

"Если вы едете по асфальтированной дороге, между шинами и поверхностью сохраняется трение, и автомобиль стабилен", - сказал Монжо, сравнивая демпфирование с трением. "Но на обледенелой дороге уменьшается трение между дорогой и шинами, что приводит к нестабильности. В этом случае плодовая мушка, как водитель, активно увеличивает демпфирование своей нервной системой в попытке повысить устойчивость."

Соавтор Бо Ченг, Кеннет К. из Пенсильванского университета и Оливия Дж. Куо, адъюнкт-профессор машиностроения в начале карьеры, отметили, что стабильность важнее мощности для летных характеристик.

"При повреждении крыла обычно страдают как производительность, так и стабильность; однако мухи используют "внутреннюю ручку", которая увеличивает демпфирование для поддержания желаемой стабильности, даже если это приводит к дальнейшему снижению производительности", - сказал Ченг. "На самом деле, было показано, что именно стабильность, а не требуемая мощность, ограничивает маневренность в полетах".

Работа исследователей предполагает, что плодовые мушки, имеющие всего 200 000 нейронов по сравнению со 100 миллиардами у людей, используют сложную, гибкую систему управления двигателями, позволяющую им адаптироваться и выжить после травмы.

"Сложность, которую мы обнаружили здесь, в flies, не имеет себе равных ни в одной из существующих инженерных систем; сложность fly более сложна, чем у существующих летающих роботов", - сказал Монжо. "Мы все еще далеки от инженерной стороны попыток воспроизвести то, что мы видим в природе, и это всего лишь еще один пример того, как далеко нам предстоит зайти".

В условиях все более сложных условий перед инженерами встает задача разработать роботов, способных быстро адаптироваться к неисправностям или неудачам.

"Летающие насекомые могут вдохновить на создание машущих роботов и беспилотных летательных аппаратов, которые могут разумно реагировать на физические повреждения и поддерживать работу", - сказал соавтор Ваэль Салем, кандидат наук в области машиностроения штата Пенсильвания. "Например, разработка дрона, который может компенсировать поломку двигателя в полете, или робота с ногами, который может полагаться на другие ноги, когда одна из них отказывает".

Чтобы изучить механизм, с помощью которого мухи компенсируют повреждения крыльев в полете, сотрудники Университета Колорадо в Боулдере создали прототип робота с механическим крылом, близким по размеру и функциям к крылу плодовой мухи. Исследователи обрезали механическое крыло, повторив эксперименты в Пенсильванском университете, и проверили взаимодействие между крыльями и воздухом.

"Используя только математическую модель, нам нужно сделать упрощающие предположения о структуре крыла, движении крыла и взаимодействии крыла с воздухом, чтобы сделать наши вычисления удобными", - сказал соавтор Каушик Джаярам, доцент кафедры машиностроения в Университете Колорадо в Боулдере. "Но с физической моделью наш прототип робота взаимодействует с миром природы так же, как муха, подчиняясь законам физики. Таким образом, эта установка отражает тонкости сложных взаимодействий крыла и воздуха, которые мы еще не до конца понимаем ".

В дополнение к Монжо, Ченгу, Салему и Джаяраму, соавторами являются Бенджамин Челлини, департамент машиностроения штата Пенсильвания; и Хейко Кабуц и Хари Кришна Хари Прасад, Университет Колорадо в Боулдере.

Управление научных исследований ВВС и исследовательская стипендия Альфреда П. Слоуна поддержали эту работу.