Инженеры Университета Айовы сделали смелый шаг вперёд в технологии подводных аппаратов

Инженеры Университета Айовы сделали смелый шаг вперёд в технологии подводных аппаратов, представив новый подход, вдохновлённый одним из самых удивительных морских созданий — осьминогом. Их революционное исследование сосредоточено на разработке нового типа системы активного управления потоком с использованием био-вдохновлённых кручёных спиральных искусственных мышц, имитирующих папиллярные мышцы, расположенные на коже осьминога. Эта инновационная технология продемонстрировала значительное улучшение маневренности и эффективности подводных аппаратов, что представляет собой потенциальный сдвиг парадигмы в морской робототехнике.

Главное новшество команды — адаптация способности осьминога динамически изменять текстуру своей кожи с помощью крошечных скрученных мышц, называемых папиллярными мышцами. Эти мышцы моментально расширяются или сокращаются, позволяя осьминогу идеально маскироваться или настраивать движения для навигации в сложных подводных потоках. Вдохновившись этим, инженеры создали серию скрученных спиралей — так называемых кручёных спиральных искусственных мышц, воспроизводящих эту природную функцию с целью оптимизации работы подводных аппаратов.

Суть системы заключается в интеграции этих кручёных спиральных мышц на крылья гидрофойла подводного аппарата. Эти мышцы механически активируются миниатюрными электродвигателями — актуаторами, которые управляют раскручиванием и скручиванием спиралей. По мере прохождения воды над модифицированным гидрофойлом эти био-вдохновлённые структуры динамически изменяют свою форму, уменьшая лобовое сопротивление и увеличивая подъёмную силу, генерация которой возрастает до 30%, а сопротивление снижается до 10% при определённых условиях. Практический эффект — подводный аппарат, который более эффективно движется в воде с меньшими затратами энергии.

Испытания включали тщательные эксперименты в контролируемых условиях с разной скоростью и углом потока воды. Данные показали, что система активного управления значительно увеличивает подъёмную силу при крутых углах атаки относительно потока, что обычно связано с увеличением сопротивления и нестабильностью. Эти улучшения подразумевают не только экономию энергии, но и повышение безопасности и управляемости при сложных подводных манёврах.

Кроме повышения производительности, модульный характер этих искусственных мышц обещает широкую адаптивность для различных конструкций аппаратов и профилей миссий. Например, беспилотные подводные аппараты для инспекции трубопроводов смогут использовать способность мышц приспосабливаться к узким или неровным пространствам, а аппараты для глубоководных исследований — легче и точнее проходить в условиях сильных и переменчивых течений.

Этот прорыв возглавила Катерина Ламута, доцент кафедры машиностроения Университета Айовы, чей лабораторный коллектив специализируется на био-вдохновлённых робототехнических системах. В команде ведущими исследователями являются аспиранты Рабиу Мамман и Тилина Вираккоди, значительно внесшие вклад в экспериментальный дизайн и анализ результатов. Их совместная работа демонстрирует мощь интеграции биологических принципов для решения инженерных задач в динамике подводных аппаратов.

Исследование, финансируемое Офисом военно-морских исследований США, является первым демонстрационным проектом подводного активного управления потоком при помощи кручёных искусственных мышц. Это масштабируемое и экономичное решение с широкими оборонными, научными и коммерческими применениями. Подражая природным системам, отточенным миллионами лет эволюции, работа команды открывает новую эру энергоэффективного и автономного подводного изучения океанов.

Недавно опубликованное в журнале Robotics Reports исследование под названием «Био-вдохновлённые активные генераторы вихрей для управления потоком под водой» подробно описывает теоретическую базу, инженерный дизайн и экспериментальное подтверждение данной технологии. В статье представлен технический анализ механики кручёных спиральных мышц, системы управления актуаторами и результаты их работы в широком диапазоне гидродинамических условий.

В будущих направлениях исследований особое внимание уделяется оптимизации материалов для искусственных мышц с целью повышения долговечности и скорости отклика, интеграции датчиков для автономной работы и масштабированию технологии для крупных подводных аппаратов. Долгосрочная цель — запуск флотов био-вдохновлённых беспилотных подводных устройств для сложных подводных миссий с улучшенной энергоэффективностью и адаптивностью, превосходящей современные разработки.

В итоге команда инженеров Университета Айовы выдвинула биомеханики осьминога на передний план подводной робототехники, предложив трансформирующую технологию, которая улучшает подъёмную силу, снижает сопротивление и повышает маневренность за счёт активного управления потоком. По мере роста интенсивности исследований и операций в океане такие инновации станут ключевыми для расширения возможностей подводных экспедиций с максимальной эффективностью и экологичностью.

Прорыв концентрируется на воспроизведении одной из самых совершенных в природе систем подводного перемещения. Осьминоги используют папиллярные мышцы в коже для динамического изменения текстуры и направлений потока, что обеспечивает удивительную ловкость в сложных подводных условиях. Исследователи из Айовы создали синтетические аналоги в виде скрученных спиралей, которые раскручиваются при активации миниатюрными электродвигателями — актуаторами.

Команда модифицировала крылья гидрофойла, установив два ряда по четыре кручёных спиральных искусственных мышцы, каждая из которых приводится в действие парой актуаторов. Испытания при различных скоростях воды показали, что система создаёт активное управление вихрями, позволяя аппарату сохранять высокую эффективность даже при крутом угле атаки на поток, что обычно является самой сложной ситуацией для манёвров.

«Это исследование может сделать беспилотные подводные аппараты более эффективными, используя недорогие искусственные мышцы, вдохновлённые движением папиллярных мышц осьминога,» — сказал Рабиу Мамман, ведущий автор исследования и аспирант кафедры машиностроения. Работа является кульминацией многолетних усилий Ламуты по разработке технологий, вдохновлённых осьминогами, основываясь на её предыдущих проектах по созданию искусственной кожи головоногих, финансируемых несколькими грантами ВМФ.

Исследование финансировалось Офисом военно-морских исследований США в рамках более широких инвестиций в технологии беспилотных подводных аппаратов. Это совпадает с выделением значительных средств ВМФ на робототехнику под водой, включая 68,2 миллиона долларов в 2025 финансовом году на основные технологии подводных аппаратов и сотни миллионов на крупные беспилотные подводные аппараты, такие как программа Extra-Large Unmanned Undersea Vehicle.

Технология решает критические задачи подводных операций — от инспекции трубопроводов до сбора образцов с большой глубины. В отличие от традиционных аппаратов, испытывающих трудности с энергоэффективностью и управляемостью в турбулентных условиях, эти искусственные мышцы обеспечивают адаптивное управление потоком, реагируя на окружающие условия в реальном времени.

Искусственные мышцы обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными системами, устраняя необходимость в громоздких источниках питания, при этом достигая впечатляющей силы — способны поднимать до 12 600 раз больше собственного веса. Соотношение мощности к весу приближается к биологическим мышцам при сохранении прочности, необходимой для длительных подводных миссий.

Исследование отражает растущую тенденцию разработок в области роботов, вдохновлённых осьминогами, включая параллельные разработки светоуправляемых искусственных мышц для подводного применения и системы продвинутого изучения движений осьминогов в естественной среде. По мере подготовки команды Ламуты к коммерциализации, технология обещает трансформировать подход к навигации подводных аппаратов в сложных морских условиях с беспрецедентной эффективностью и адаптивностью.