Исследователи из Японии создали крошечный датчик, который может измерять разность давлений на крыле бабочки, помогая лучше понять динамику полета насекомых. Они надеются изучить различные давления, действующие на крыло при взлете, то, что никогда не было измерено ранее. Работа поможет в создании летающего робота размером с насекомое или разработать искусственные крылья.
Непостижимые, невозможные маневры выполняемые насекомыми во время полета - например, зависание и внезапные повороты, которые очень трудны для птиц - давно заинтересовали исследователей. Среди множества крылатых насекомых, бабочки, а точнее бабочки семейства
Papilionidae
(известные как бабочки с ласточкиным хвостом) имеют уникальную форму крыла, что позволяет им подниматься зигзагообразно, редко хлопая крыльями. Хидетоши Такахаши (Hidetoshi Takahashi) из Токийского университета, который является ведущим специалистом исследовательской группы, отмечает, что, в соответствии с обычной аэродинамикой, по оценкам, сила, порожденная машущим крылом насекомого, недостаточна для поддержания своего веса. Это означает, что фактическая аэродинамическая сила крыла насекомого превышает аналогичные показатели в стационарной аэродинамике, - там, где есть равномерно распределенные силы, действующие по всей поверхности - из чего наиболее вероятно следует, что некоторые "нестационарные аэродинамические явления" вступают в игру. Именно поэтому многие исследователи пытались раскрыть механизм этих нестационарных сил, объясняет Такахаши.
Нестационарная аэродинамика
Чтобы узнать больше об этих нестационарных явлениях, исследователи пытались измерить распределение разности давления на крыле насекомого - как раз то, что ответственно за аэродинамическую силу. Работа имела две основные цели - во-первых, разработка микроэлектромеханической системы (MEMS) - датчик разности давлений, который был бы достаточно легким, чтобы бабочка могла с ним летать и обладал высокой чувствительностью для обнаружения мелких перепадов давления. Вторая заключалась в измерении силы на крыле, в основном, во время взлета, так как фактические аэродинамические силы, создаваемые крыльями реальных насекомых в свободном полете никогда не измерялись непосредственно. "Предыдущие исследования были ограничены крупномасштабными испытаниями, в условиях использования роботов-махолетов. Это затрудняет дублирование реального взаимодействия аэродинамических сил с движением тела и деформацией крыла насекомых", объясняет Такахаши.
Крошечный датчик
Исследователи изготовили пьезорезистивный кронштейн с размерами 125х100х0,3 мкм. Перепад давления между верхней и нижней поверхностями кронштейна заставляет его изгибаться и эта деформация, в свою очередь, регистрируется как изменение сопротивления в датчике. "Разрешение перепада давления составляет 0,02 Па в интервале от -20 Па до 20 Па. Кроме того, структура очень проста, так что чип датчика можно легко сделать сверхминиатюрным", говорит Такахаси.
Датчик затем прикрепляется к крылу бабочки и выходной сигнал передавался с медных электродов и полиамидной золотой проволоки. Общий вес оборудования, в том числе чипа датчика, электродов и проводов составляет 35 мг - это легче, чем количество пищи, потребляемой бабочкой за один присест, что составляет около 100 мг.
"Мы измерили распределение разности давлений в четырех точек на крыльях восьми бабочек во время взлета. Наши измерения показывают, что перепад давления просто повышается и падает периодически и симметрично в соответствии с движением крыла. Величина перепада давления увеличивается при переходе от корневой части крыла до кончика во время взлета", объясняет Такахаши. Исследователи также обнаружили, что мгновенное давление в переднем кончике крыле достигает в максимуме 10 Па, а это в 10 раз больше по сравнению с нагрузкой на крыло бабочки.
Исследователи указывают, что понимание различных аэродинамических сил, действующих на летающих насекомых с помощью этого прямого метода измерения могут помочь в разработке искусственного насекомого натуральных размеров в будущем. Такие роботы насекомые могут быть изготовлены специально для того, чтобы легко попасть в ограниченные или опасные помещения, таких как места стихийных бедствий и оценить ситуацию. Кроме того, исследования могут помочь в создании искусственных крыльев для аэродинамического эксперимента или для управления полетом в режиме реального времени.