Роборыба объяснила стиль плавания личинки данио-рерио

Инженеры из Швейцарии создали водоплавающего робота ZBot, который имитирует форму тела и нервную систему личинок рыбки данио-рерио. Они выяснили, почему многие рыбы используют прерывистый стиль плавания, в котором периоды активной работы хвостом чередуются с пассивным движением вперед по инерции. Эксперименты показали, что это он позволяет роботу снизить энергозатраты не только за счет уменьшения сопротивления воды в пассивной фазе движения, как считалось раньше, но и благодаря дополнительному фактору – работе приводов в более эффективном режиме. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Инженеры нередко подсматривают идеи у природы, создавая роботов, которые воспроизводят живые организмы или их отдельные части. Такой подход называют биомиметикой или бионикой. Зачастую он помогает не только создать более эффективные механизмы, но и углубить понимание того, как устроены организмы. Например, австралийские исследователи, сравнив движения робоящерицы по вертикальной поверхности с поведением нескольких настоящих ящериц, показали, насколько важен угол разворота ступней для лазания по стенам. А швейцарские инженеры с помощью роботизированной модели миноги смогли уточнить детали взаимодействия центральной и периферической нервных систем, управляющих движениями водоплавающего животного.

Теперь другая группа инженеров из Швейцарии под руководством Сянсяо Лю (Xiangxiao Liu) и Оке Испеерта (Auke J. Ijspeert) из Федеральной политехнической школы Лозанны использовали биомиметику, чтобы разобраться, почему многие рыбы используют неравномерный стиль плавания: вместо постоянной работы хвостом, они чередуют фазы активного движения и пассивного скольжения по инерции. Подобная особенность характерна для множества водных обитателей, от личинок рыбки данио-рерио до крупных тунцов и даже китов. Долгое время считалось, что причина кроется исключительно в гидродинамике: выпрямленное тело во время паузы создает меньшее сопротивление. Однако проверить эту гипотезу на живых организмах оказалось слишком сложно. Поэтому авторы работы разработали водоплавающего робота ZBot, представляющего собой увеличенную в 200 раз копию личинки рыбки данио-рерио, которую часто используют в роли модельного объекта в подобных исследованиях.

Форма корпуса и распределение массы робота максимально точно повторяет биологический оригинал. Его длина – около 80 сантиметров. Внутри головного сегмента тела располагается основная электроника, включая контроллер, камеру для FPV-режима, ваттметры и аккумулятор. Гибкий хвост состоит из шести подвижных сегментов, приводимых в движение сервомоторами. Для управления роботом разработана нейросетевая модель, имитирующая нервную систему рыбы. Она включает центральные генераторы упорядоченной активности (CPG) для создания ритмических колебаний, интегратор для старта движения и специализированные нейроны для управления поворотами. Модель позволяет роботу генерировать паттерны плавания, идентичные тем, что наблюдаются у настоящих личинок данио-рерио.

Поскольку робот существенно крупнее своего прототипа, в обычной воде он работает при высоких числах Рейнольдса. Чтобы более правдоподобно смоделировать физику плавания, инженеры испытали робота не только в воде, но и в жидкостях с большей вязкостью. Оказалось, что повышение вязкости резко сокращает дистанцию пассивного движения в режиме прерывистого плавания, но при этом практически не влияет на маневренность. Однако даже в таких условиях, где гидродинамическое преимущество скольжения сводится к минимуму, робот расходовал меньше энергии на единицу расстояния в прерывистом режиме плавания по сравнению с непрерывным движением.

Испытания робота проводились в озере и в небольших емкостях. Анализ данных ваттметров выявил, помимо гидродинамического, дополнительный механизм экономии энергии, который авторы назвали гипотезой «эффективности актуаторов». Неравномерный режим работы позволяет сервоприводам (и мышцам настоящей рыбы) функционировать в режиме максимальной эффективности. При непрерывном плавании для поддержания той же средней скорости приводам приходится работать в менее выгодных режимах с точки зрения отношения тяги к энергопотреблению. Таким образом, общая энергетическая выгода складывается из двух факторов: ранее изученного гидродинамического снижения сопротивления, что актуально для более крупных рыб, и повышения эффективности работы приводов или мышц.

В будущем авторы планируют использовать актуаторы на основе диэлектрических эластомеров или пневматики. Это позволит обойти текущие ограничения в способности робота накапливать и возвращать энергию, характерную для упругих тканей живой рыбы.

Биомиметика помогает ученым изучить особенности строения и движения не только ныне живущих, но и давно вымерших животных. Например, в 2023 году американские инженеры построили робота, имитирующего строение обитавших на морском дне около 450 миллионов лет назад иглокожих класса Rhombifera. С его помощью они смогли определить наиболее вероятный способ передвижения этих ископаемых существ.