В полёте примерно раз в секунду крылья пчёл, ищущих пищу, сталкиваются с небольшими препятствиями, такими как цветы, листья или ветки, но при этом не испытывают существенных долгосрочных повреждений. Они без проблем выдерживают аэродинамические нагрузки, хотя эти хрупкие конструкции составляют всего 2% общей массы тела насекомого. Учёные из Зоологического института Кильского университета (CAU) исследовали, как крылья насекомых выдерживают различные типы нагрузки и не ломаются. В статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Advanced Science, они показывают несколько отличительных особенной структуры крыла, благодаря которым оно остаётся цельным и гибким и таким образом адаптируется к разным воздействиям. В перспективе понимание принципов строения крыла может дать идеи для разработки структурных элементов, которые одновременно хорошо держат нагрузку, прочны и устойчивы к столкновению, что может найти применение в робототехнике, авиации и биомедицине.
Автор фото: Станислав Горб
Технические конструкции часто имеют только одно или два их этих свойств: они либо выдерживают большие нагрузки — это, например, несущие части зданий, либо они прочные и гибкие, что помогает не сломаться от внешних ударов, например, столкновений. Если бы все эти качества можно было объединить, то получилось бы разработать структурные элементы с регулируемой жёсткостью. Они бы работали более эффективно, изменяя свою способность к деформации в ответ на экстремальные воздействия среды. Предыдущие исследования, однако, использовали сложные и дорогие подходы, которые не годятся для повседневных целей.
«То, что сейчас занимает умы инженерного сообщества, насекомые уже довели до совершенства. Благодаря особому строению, их крылья могут принимать разные степени гибкости, в зависимости от того, чего требует ситуация», — говорит профессор Станислав Горб из рабочей группы по функциональной морфологии и биомеханике, подводя итоги исследования. До настоящего момента биологические исследования крыльев насекомых фокусировались в основном на аэродинамических аспектах. Несмотря на этот тренд, исследователи из Зоологического института рассмотрели структуру крыльев насекомого, а именно стрекозы. Впервые они связали три разных структурных элемента крыла с их функциями. Эти три элемента, гибкие сочленения, механические фиксаторы и зоны прогиба, делают крыло в полёте устойчивым к возможным повреждениям из-за столкновений или ветра.
Крылья стрекозы состоят из сети сосудов и мембран между ними. Сосуды соединены гибкими сочленениями. Это позволяет крыльям деформироваться при относительно небольших нагрузках. При более высоких нагрузках микроскопические шипы рядом с микросочленениями заклинивают и останавливают деформацию. Они увеличивают жёсткость, чтобы крыло лучше переносило аэродинамические нагрузки. И, наконец, особые зоны крыла обратимо прогибаются до некоторой степени в случае столкновения с препятствием. «Благодаря этим трём особенностям дизайна насекомые могут изменять характеристики своих крыльев и таким образом они выполняют несколько функций одновременно», — поясняет аспирант Али Хахеши, первый автор исследования.
Однако команда исследователей пошла на шаг дальше: чтобы проверить, выдержит ли их теория относительно стратегий дизайна крыльев насекомых испытание практикой, они построили на её основе модель планера размером 8x5x1,1 см и весом 3,8 г. Её напечатали на 3D-принтере из волокна ПМК/ПМК и провели тесты на столкновение и свободное падение. Оказалось, что крылья, сделанные по этой модели, выдержали столкновения, тогда как модели планеров традиционной конструкции сломались. Кроме того, исследователи провели статические, динамические и усталостные тесты со слегка модифицированными конструкциями, в которых они опустили одну из стратегий дизайна в каждом случае. «Эти эксперименты подтвердили, что необходимы все три стратегии дизайна, чтобы получить наблюдаемые механические свойства», — рассказал Хахеши, профессиональный инженер и материаловед. Исследователи полагают, что это могло бы сработать и с другими, более высококачественными материалами.
Самое важное, что стратегии уже интегрированы в структуру крыльев и работают полностью пассивно, без необходимости в сложных стратегиях управления. «Такие подсказки из мира животных могут помочь нам конструировать технические системы, которые автономно адаптируются к экстремальным или непредвиденным ситуациям, например, в средах, где человек не может активно вмешаться, таких как космические экспедиции», — говорит доктор Хамед Раджаби.
Перевод Антон Меньшенин, редактор Вера Круз. Наш блог в вк и телеграм.
Исследование — Triple Stiffness: A Bioinspired Strategy to Combine Load‐Bearing, Durability, and Impact‐Resistance
Источник — How insect wings withstand collisions without breaking
