Робототехника: стряхнуть с себя лишнее
Ученые из Технического университета штата Джорджия (США) создали роботизированную модель «встряхивания» - процесса, свойственного млекопитающимся, и заключающемся в серии скручивающих движений с целью сбросить с шерсти капли воды.
Этот процесс кажется простым, но в действительности, как подчеркивают исследователи, движение, в ходе которого животное сбрасывают с себя разом 70% жидкости, находящейся на шерсти, простым не является. В статье, опубликованной в журнале “Journal of the Royal Society Interface”, подчеркивается, что ранее этой проблемой никто всерьез не занимался, несмотря на то что центробежная сила кажется хорошо изученной.
В ходе исследования применялись серии фотографий встряхивающихся животных, сделанные с небольшим промежутком времени. Чтобы разобраться с механизмом, позволяющим животным быстро подсушить мокрую шерсть, ученые поливали водой различных питомцев зоопарка. Кроме того, был создан роботизированный симулятор, который воспроизводил действия животных в лабораторных условиях. Интересно, что процесс встряхивания у собак имеет точно такую же механику, что и у тигров, мышей, крыс, слонов, медведей и кенгуру. «Почему млекопитающие, покрытые шерстью, встряхиваются? Какие преимущества это им дает?» – задавались вопросами ученые.
При встряхивании позвоночник собаки совершает поворот примерно на 30 градусов то в одну, то в другую сторону. При этом ее кожа (так называемая «свободная кожа») движется быстрее, чем позвоночник, и с большей амплитудой, перемещаясь на 90 градусов вокруг оси позвоночника.
В процессе исследования выяснилось, что чем меньше млекопитающее, тем быстрее оно встряхивается. Медленнее всех встряхиваются слоны, а быстрее всех мыши весом порядка 2 граммов – их движения имеют частоту 27 Гц. Крысы не столь проворны – частота их встряхивания 18 Гц. У котов – 9 Гц. У собак размера лабрадора – 4,7 Гц. Разница в частоте движений связана с тем, что каждому животному необходимо придать капле воды одно и то же центробежное ускорение, которое должно быть больше, чем сила поверхностного натяжения, позволяющая воде «держаться» за шерсть животного. Поэтому животным с меньшим радиусом тела приходится двигаться быстрее. С помощью симулятора это центробежное ускорение было измерено: оно оказалось больше ускорения свободного падения, поэтому, чтобы избежать повреждений глаз, животным приходится их во время встряхивания закрывать.
Впрочем, исследователи отмечают, что крупные животные почему-то развивают скорость встряхивания больше, чем это нужно, чтобы сбросить капли. Объяснений феномену пока не найдено. Причина же встряхивания, как полагают ученые, в необходимости защитить термоизолирующие свойства шерсти в случае падения животного зимой в холодную воду. В случае если животное по какой-то причине не может стряхнуть воду, ему потребуется потратить много энергии на выработку тепла, чтобы высушить шерсть изнутри. Ученые подсчитали, что собака весом 27 кг, у которой на шерсти находится 0,45 кг воды, потратит на сушку порядка четверти своего обычного дневного рациона питания.
Специалисты, проводившие работы, указывают, что в последнее время в робототехнике наметилась тенденция «понять биомеханику и сделать как живое». Другими словами, использовать оптимальные и отработанные тысячелетиями биотехнологии для создания искусственных объектов. Кто знает, возможно, в будущем наши стиральные машинки тоже обзаведутся встряхивателем, который заменит нынешнюю энергоемкую центрифугу для сушки белья.
