Как летающие насекомые и дроны могут различать вверх и вниз

Ученые разработали теорию, которая может объяснить, как летающие насекомые определяют направление гравитации без использования акселерометров. Это также является существенным шагом в создании крошечных, автономных беспилотных летательных аппаратов.

Ученые обнаружили новый способ полета дронов и насекомых для оценки направления гравитации. В то время как дроны обычно используют акселерометры для этой цели, способ, которым летающие насекомые делают это, до сих пор был окутан тайной, поскольку им не хватает конкретного чувства ускорения, сообщает «eurekalert.org».

В статье ученые показали, что беспилотники могут оценивать направление гравитации, комбинируя визуальное зондирование движения с моделью того, как они движутся. Исследование является отличным примером синергии между технологиями и биологией.

С одной стороны, новый подход является важным шагом для создания автономных крошечных дронов размером с насекомое, поскольку требует меньшего количества датчиков. С другой стороны, она формирует гипотезу о том, как насекомые контролируют свое отношение, поскольку теория формирует скупое объяснение многочисленных явлений, наблюдаемых в биологии.

Успешный полет требует знания направления гравитации. Как наземные животные, мы, люди, обычно не испытываем проблем с определением того, какой путь вниз. Однако это становится сложнее при полете. Действительно, пассажиры в самолете обычно не знают, что самолет слегка наклонен в сторону в воздухе, чтобы сделать широкий круг. Когда люди начали подниматься в небо, пилоты полагались исключительно на визуальное обнаружение линии горизонта для определения «положения» самолета, то есть ориентации его тела по отношению к гравитации.

Однако при пролете сквозь облака линия горизонта больше не видна, что может привести к все более ошибочному впечатлению о том, что происходит вверх и вниз - с потенциально катастрофическими последствиями.

Как же дроны и летающие насекомые должны контролировать свое отношение. Дроны обычно используют акселерометры для определения направления гравитации. Однако у летающих насекомых не было обнаружено никакого органа зондирования для измерения ускорений. Следовательно, для насекомых в настоящее время до сих пор остается загадкой, как они оценивают отношение, а некоторые даже задаются вопросом, оценивают ли они отношение вообще.

Хотя неизвестно, как летающие насекомые оценивают и контролируют свое отношение, очень хорошо известно, что они визуально наблюдают движение с помощью «оптического потока». Оптический поток фиксирует относительное движение между наблюдателем и его окружением. Например, когда вы сидите в поезде, деревья рядом, кажется, движутся очень быстро (имеют большой оптический поток), в то время как горы вдали, кажется, движутся очень медленно (имеют небольшой оптический поток).

«Оптический поток сам по себе не несет никакой информации об отношении. Тем не менее, ученые обнаружили, что сочетание оптического потока с моделью движения позволяет получить направление гравитации», — говорит Гвидо де Крон, профессор био-вдохновленных микро-воздушных транспортных средств. — Наличие модели движения означает, что робот или животное может предсказать, как оно будет двигаться при принятии мер.

Например, дроны могут предсказать, что произойдет, когда они вращают свои два правых пропеллера быстрее, чем левые пропеллеры. Поскольку положение дрона определяет, в каком направлении он ускоряется, и это направление может быть уловлено изменениями в оптическом потоке, комбинация позволяет дрону определять свое положение».

Теоретический анализ в статье показывает, что нахождение направления гравитации с оптическим потоком работает практически при любых условиях, за исключением конкретных случаев, например, когда наблюдатель полностью неподвижен.

«В то время как инженеры сочли бы такую проблему наблюдаемости неприемлемой, мы предполагаем, что природа просто приняла ее», — говорит Гвидо де Крон. «В статье мы приводим теоретическое доказательство того, что, несмотря на эту проблему, контроллер ориентации все равно будет работать вокруг зависания за счет небольших колебаний, напоминающих о более неустойчивом поведении летающих насекомых».

Исследователи подтвердили справедливость теории с помощью роботизированных реализаций, продемонстрировав ее перспективность для области робототехники. Де Крон: «Крошечные дроны с взмахами крыльев могут быть полезны для таких задач, как поиск и спасение или опыление. Проектирование таких беспилотных летательных аппаратов означает решение серьезной проблемы, с которой также пришлось столкнуться природе; как достичь полностью автономной системы с учетом экстремальных ограничений полезной нагрузки. Это делает даже крошечные акселерометры значительной нагрузкой. Предлагаемая нами теория будет способствовать разработке крошечных беспилотных летательных аппаратов, позволяя использовать меньший набор датчиков».

Было известно, что оптический поток играет роль в контроле ориентации, но до сих пор точный механизм для этого был неясен», — объясняет Франк Руффье, биороботист.

Предложенная теория может объяснить, как летающие насекомые преуспевают в оценке и контроле своего отношения даже в сложных, загроможденных средах, где линия горизонта не видна. Это также дает представление о других явлениях, например, почему саранча летает хуже, когда их оцеллии (глаза на макушке головы) закрыты».

«Мы ожидаем, что новые биологические эксперименты, специально предназначенные для проверки нашей теории, будут необходимы для проверки использования предлагаемого механизма у насекомых», — добавляет Франк Руффье.