Инженеры Корнеллского университета нашли у гигантского сельдяного короля необычный механизм движения, который хотят перенести в большие бесшумные подводные роботы. Исследование показало, что сотни лучей длинного спинного плавника могут независимо вращаться почти как миниатюрные джойстики, позволяя рыбе двигаться вперёд и назад почти без изгибов тела. Такой принцип заинтересовал разработчиков систем для наблюдения за океаном, поскольку обычные винтовые аппараты создают шум и распугивают морских животных.
Работа появилась 30 сентября в журнале Ichthyology & Herpetology. Команда изучала сельдяных королей семейства Regalecidae, к которому относится гигантский сельдяной король Regalecus glesne. Эти глубоководные рыбы вырастают примерно до 8 метров и считаются самыми длинными современными костными рыбами.
Для робототехника Роберта Шеперда интерес представлял не размер, а способ плавания. Большинство длинных рыб изгибают тело волной, как угри. Сельдяной король способен сохранять корпус почти неподвижным и перемещаться за счёт длинного спинного плавника, который проходит вдоль значительной части тела.
Шеперд искал такой механизм для большого тихого подводного аппарата в рамках проекта, поддержанного Управлением военно-морских исследований США. Задуманная платформа должна нести научные приборы и долго наблюдать за состоянием океана, не создавая характерного для винтов шума и не меняя поведение рыб вокруг аппарата. Военно-морское ведомство также заинтересовано в подобных системах, хотя опубликованная работа посвящена прежде всего биологии движения, а не готовой военной субмарине.
Разобраться в механике оказалось непросто. Тела сельдяных королей после смерти часто распадаются на отдельные сегменты, поэтому хорошо сохранившиеся экземпляры встречаются редко. Исследователи использовали препарирование, гистологию, рентгеновские снимки экземпляра из Смитсоновского института, компьютерную томографию и видеозаписи движущихся плавников.
Под кожей обнаружилась система из сотен костеподобных лучей. Каждый луч соединён с плавниковой мембраной, хрящами и собственным набором мышц, а у основания находится сустав, работающий по принципу шарового шарнира. Такая конструкция позволяет отдельному лучу вращаться вокруг своей оси независимо от соседних.
В результате спинной плавник работает не как единая гибкая пластина. Рыба быстро меняет направление движения отдельных участков, причём одна часть плавника может гнать волну к хвосту, пока соседняя создаёт волну в противоположную сторону. Сельдяной король получает очень точный контроль над тягой и способен менять направление, практически не двигая корпусом.
Исследователи называют такой способ передвижения ribbon-fin swimming, или плаванием с помощью ленточного плавника. Подобная схема независимо возникала у костных рыб примерно десять раз, однако авторы считают свою работу первым подробным описанием лучей сельдяного короля, способных вращаться подобно джойстикам. Учёным ещё предстоит выяснить, используют ли похожую механику другие рыбы с ленточными плавниками.
Для биоинспирированной робототехники такая конструкция особенно интересна. Инженерам не обязательно копировать всю рыбу. Достаточно воспроизвести систему управляемых сегментов плавника, чтобы создать движитель без обычного гребного винта. Потенциально подобная машина сможет плавно менять тягу, двигаться в обоих направлениях и маневрировать, меньше воздействуя на окружающую среду.
Пока речь идёт именно о биологической основе будущей конструкции. Корнеллский университет не сообщал о создании полноразмерного аппарата, его скорости, дальности хода или реальных измерениях уровня шума. Поэтому заявления о новом поколении «стелс-субмарин» пока заметно опережают опубликованные результаты. Исследователи сначала выяснили, как устроен природный движитель, а инженерную реализацию ещё предстоит построить и испытать.
Сельдяного короля часто называют «рыбой Судного дня» из-за историй о якобы появляющихся перед землетрясениями глубоководных рыбах. Научных подтверждений у такой репутации нет. В исследовании 2019 года учёные сопоставили 336 появлений глубоководных рыб в Японии с 221 землетрясением и нашли лишь один случай, который можно было считать потенциально связанным. Авторы не обнаружили статистически убедительной связи между двумя явлениями.
Зато реальная способность «рыбы Судного дня» оказалась интереснее легенды. Сотни независимо управляемых элементов одного плавника образуют природный движитель, который сочетает тишину и точное управление. Если инженеры смогут воспроизвести такую механику в крупном аппарате, морские роботы будущего станут меньше походить на маленькие торпеды с винтами и заметно больше на самих обитателей океана.
