Водомерки и их сородичи перемещаются по поверхности водоемов с помощью уникального механизма: миниатюрных веерообразных «лопастей» на лапках. Ученые нашли им применение.
Благодаря таким веерообразным лопастям насекомые не просто удерживаются на поверхности, но также могут разгоняться, мгновенно менять направление и маневрировать так, будто они парят над водой. Недавнее исследование специалистов из Калифорнийского университета в Беркли, Технологического института Джорджии и университета Аджу в Южной Корее показало, что эти «веера» функционируют удивительным образом — они открываются и закрываются пассивно, словно кисть для рисования, и делают это в десять раз быстрее, чем человек успевает моргнуть.
Ранее считалось, что подобные движения могут осуществляться исключительно за счет мускулов. Но наблюдения продемонстрировали: стоит капле воды коснуться отдельной лопасти, как она сама расправляется, используя лишь силу поверхностного натяжения и эластичность материала. Это сочетание гибкости и жесткости позволяет насекомым выполнять повороты всего за 50 миллисекунд и двигаться со скоростью до 120 длин тела в секунду — показатели, сравнимые с полетом мух. «Когда я впервые увидел, как эти крошечные жуки скользят и мгновенно меняют направление в бурных потоках, мне показалось, что они летают по воде», — делится впечатлениями биолог Виктор Ортега-Хименес, один из авторов исследования.
Вдохновившись этим открытием, ученые разработали микроробота, получившего название Rhagobot. Его основной компонент — искусственные веера из плоских ленточных структур, спроектированные по образцу насекомых. Такой подход оказался решающим: цилиндрические волоски, казавшиеся сначала логичным выбором, не обеспечивали нужной комбинации жесткости и гибкости. Лишь плоская «лента» позволила воспроизвести секрет природы.
В результате исследования ученые создали робота весом всего в один миллиграмм. Его веера раскрываются и складываются автоматически, без моторов и внешнего источника энергии, используя лишь взаимодействие с поверхностью воды. Это открывает новые возможности в микроробототехнике: устройства, способные быстро маневрировать на границе воздух-вода, могут быть использованы для мониторинга состояния рек и озер, а в будущем — даже для поисково-спасательных операций в труднодоступных местах.
Феномен водомерок интересен также тем, что при гребле они создают уникальные вихри и волны, больше похожие на следы от взмахов крыльев, чем на обычные возмущения воды. Возможно, эти насекомые используют не только силу сопротивления, но и подъемную силу, как птицы или насекомые в воздухе.
Существование в стремительных потоках для таких миниатюрных созданий подобно постоянной турбулентности в самолете, но, учитывая их размеры, эта турбулентность значительно сильнее. Тем не менее, водомерки способны «грести» практически круглые сутки, лишь изредка останавливаясь для питания или линьки. Для инженеров это стало еще одной задачей: создать робота, который сможет работать столь же устойчиво в непредсказуемой среде. Rhagobot уже продемонстрировал, что благодаря «умным» веерам это возможно.