УЧИТЬСЯ, УЧИТЬСЯ И УЧИТЬСЯ ... У НАСЕКОМЫХ

Прямо у входа в комнату висит огромная моль с метровым размахом крыльев. Правда, на ней нет ни мышц, ни кожи, а все внутренности заполнены моторами, проводами и прочими техническими штучками. Щелчок выключателя - и моль начинает двигаться.

Ее крылья взмахивают медленно и плавно, но по очень непростой траектории: сперва они идут вниз и вперед, при этом вращаясь вокруг своей продольной оси, а потом - назад и вверх. Даже вогнутость крыльев постоянно меняется. Чарльз Эллингтон, зоолог из Кембриджа, называет это рукотворное существо "птенчиком", что явно не соответствует его сложности. Оно построено для имитации полета насекомых с беспрецедентной тщательностью. Недавно ученый впервые продемонстрировал своего механического питомца биологам, занимающимся проблемами движения. Лишь за последние год-два в этой области биологии наметились некоторые сдвиги.

"По представлениям пятилетней давности насекомые просто не могли летать, если следовать законам аэродинамики", - рассказывает Эллингтон. Самый скрупулезный анализ полета насекомых позволяет отыскать лишь от половины до трети необходимой им подъемной силы. Так же невозможно понять, как парят небольшие птицы и летучие мыши. Мало того, насекомые часто могут летать взад-вперед, зависать на одном месте и выполнять маневры, недоступные самым современным реактивным самолетам. Вот так-то, царь природы!

Проблема вот в чем: обычная аэродинамика, используемая при расчетах самолетов и вертолетов, полагается на устойчивые ситуации - движение жесткого крыла с постоянной скоростью или вращение пропеллера. У живых же существ это замысловатые трехмерные перемещения. Тем не менее до недавних пор ученые сомневались в том, что именно такие сложные движения обеспечивают неожиданно большие подъемные силы. "Начиная с пятидесятых годов, мы наблюдаем за насекомыми, держа в голове неверную картинку", - подчеркивает Эллингтон.

Есть очевидные различия между насекомыми и самолетами: первые очень маленькие, вторые - в тысячи раз больше. Для крошечного масштаба насекомых резко возрастает значимость вязкости воздуха, так что они летят сквозь него, как мы плыли бы в медовом бассейне. Именно по этой причине здесь не работают подъемные силы, рассчитанные для классических форм самолетов, и насекомые "вынуждены" прибегать к другим формам и движениям крыльев.

Кейджи Кавачи из университета Токио изучал аэродинамические свойства крошечных крыльев в рамках проекта "Миллибиофлайт". Он обнаружил, что для средних и больших бабочек с крыльями от пяти до десяти сантиметров можно имитировать возникновение подъемной силы слегка изогнутыми металлическими плоскостями. А вот для меньших насекомых даже самые тоненькие, но сплошные крылья получаются слишком громоздкими. У крошечной мушки с размахом крыльев один-два миллиметра они имеют вид волосатых перышек, и тем не менее прекрасно действуют.

"Боинг-747" или большая бабочка летают потому, что при быстром движении над крылом создается разреженный воздух с низким давлением - это-то и порождает подъемную силу. В обычных самолетах этого достигают благодаря изгибу крыльев и углу атаки. У насекомых же возникает сила в два-три раза больше. Единственная возможность разобраться в этом - найти другой способ создания пониженного давления над крылом. Кое-какие намеки можно найти, пуская бумажных голубей. Помните, как перед самой посадкой они вдруг взмывают вверх, будто получив дополнительный толчок? Это явление называется "задержанной остановкой" и происходит, когда крылья с резкими гранями идут сквозь воздух с большим углом атаки.

В этом случае воздух отрывается от поверхности и образуются завихрения. Такие "водовороты" группируются у передней кромки крыла и создают дополнительное разрежение, которое приводит к избыточной подъемной силе. Именно "водовороты переднего края" (ВПК) и сообщают бумажному голубю импульс перед самой посадкой.

Но этот эффект очень кратковременный: ВПК быстро становятся нестабильными и слетают с поверхности крыла. И все же, по мнению Эллингтона, как раз он может играть важную роль в полете насекомого. Следующая проблема - понять, как ВПК могут постоянно создаваться во время движения.

Наблюдать за взмахами крошечных крыльев - дело непростое. Нужно не только отслеживать движение воздуха, но и пытаться замерить его скорость и направление. Группа Эллингтона начала свои исследования с крупной хищной моли Маnduca sexta с десятисантиметровыми крыльями. Она бьет ими 26 раз в секунду. Исследователи привязывали насекомое в аэродинамической трубе и впускали туда дым. "Когда мы увидели, что там происходит, то просто не знали, как это понимать и трактовать, - изумлялся Эллингтон. Вихри образовывались, но не отрывались, а вились по крылу, подобно маленькому смерчу. Что приводит к такому спиральному потоку, было совершенно непонятно, поэтому решили изучить еще более крупное насекомое, чтобы рассмотреть процесс в деталях.

Но в природе не так уж много насекомых размером больше, чем хищная моль. Вот почему Эллингтону с коллегами пришлось строить механического "птенчика".

Одно из предсказаний классической аэродинамики состоит в том, что можно имитировать быстрый поток над маленькими объектами при помощи медленного потока над большими объектами. Самолетостроители используют этот принцип наоборот, изучая поведение самолетов по тестам их моделей в аэродинамической трубе. Эллингтон решил построить модель, в десять раз больше своего прообраза. Тогда для имитации реальной моли механической придется хлопать крыльями в сто раз реже настоящей.

Для создания модели потребовалось девять месяцев работы и шестьдесят тысяч долларов, но уж на ней все можно было разглядеть. Правда, с такими редкими взмахами крыльев механической моли никогда не грозило оторваться от Земли.

Вернемся в конференц-зал Кембриджа, где Эллингтон демонстрировал свои последние находки. Вот он запустил видеоленту эксперимента. Крылья медленно поднимаются, пока не становятся вертикально. Как только они начинают опускаться, вдоль переднего их края расцветают крошечные дымовороты - возникают явные ВПК. Затем происходит нечто удивительное и непонятное: когда крылья идут вниз, дымовая спираль начинает смещаться к концу крыла, как будто ее туда что-то тянет. При этом "водовороты" движутся по поверхности и не отрываются. Расчеты показали, что они обеспечивают половину подъемной силы для хищной моли.

Эллингтон считает, что чего-то подобного ожидали многие, просто на крошечных насекомых нельзя было разглядеть в подробностях происходящее на крыльях. Теперь тайное стало явным, но ученые не собираются почивать на лаврах. "Это конец одной главы, но за ней сразу следует начало другой, - говорит Эллингтон. Мы наблюдаем новое аэродинамическое явление, но совершенно не понимаем, чем оно вызвано". Пока никто не знает, как поддерживается спиральное движение воздуха вдоль поверхности крыла.

Одна из возможностей объяснения - более быстрое движение кончика крыла. Около него создается область пониженного давления, которая и "вытягивает" спираль дыма. Но другие наблюдения говорят о движении воздуха как раз в обратном направлении. Нужны новые эксперименты, только они могут дать свежую информацию.

Так же сдержан и прагматичен Кавачи, зарегистрировавший недавно подобное движение "водоворотов" на крыльях крупной бабочки: "Мы сделали один маленький шаг к пониманию сложнейшего явления". В полете насекомых осталось еще множество загадок. Кавачи и Эллингтон обнаружили и другие "водовороты", возникающие при каждом взмахе, но сколько их всего - непонятно. Да и вообще - есть ли они у мелких насекомых? А зачем у многих насекомых четыре крыла?

Несмотря на груду проблем и нерешенных вопросов, инженеры надеются извлечь реальную выгоду из находки Эллингтона и внедрить ее в конструировании меленьких машин. "Насекомые - идеальные модели для микророботов, - полагает Исао Шимояма из Токийского университета. - Их летательный аппарат совершенствовался и проверялся миллионы лет". Технология производства микророботов пока пребывает в самом раннем детстве, но нет сомнений в ее перспективности. Кавачи считает, что они смогут доставлять лекарства к нужным участкам нашего тела. По его мнению, роботов в будущем научатся строить из того же, из чего сделаны настоящие насекомые. Тогда они будут попросту распадаться в человеческом теле после завершения своей миссии.

Заинтересованы в микророботах и американские военно-воздушные силы: они с удовольствием использовали бы искусственных насекомых для наблюдения за противником. Так что лет через двадцать нечто крошечное и жужжащее над вашим ухом может оказаться совсем не безобидной мухой...

На данный момент Эллингтон и Кавачи несказанно довольны. "Скромные исследователи насекомых учат чему-то полезному экспертов по аэродинамике - это непередаваемое ощущение", - делится своими впечатлениями Эллингтон.
.

Александр АЛЕШИН