Американські вчені дійшли висновку, що втриматися на місці навіть під час приливів морським зіркам допомагають не лише присоски на ніжках, а і їхня трикутна форма. Вона допомагає тваринам використовувати притискну силу незалежно від того, з якого боку вдарить хвиля. Свої висновки інженери перевірили на 3D-моделях різних форм та пропонують звернути увагу на роль конструкції зірок, щоб і підводні роботи не страждали від приливів. Детальніше про можливості морських зірок можна почитати у статті, опублікованій у Scientific Reports.
Mark Walz / Pexels
Чому вчені не звернулися до морських їжаків?
Однією з основних ролей, яку інженери відводять підводним роботам, є дослідження морської флори та фауни. Вони зможуть вивчати природні системи, майже не впливаючи на них. Втім, навчити робота плавати мало, тим паче, що підводні найчастіше м’які, а тому менш повороткі й при цьому більше страждають від впливу водного середовища. Тож найкращою моделлю поведінки для них є морські зірки, їжаки, огірки та інші голкошкірі — малорухливі створіння, які займаються «спокійним» полюванням за тими, хто пропливає повз.
Саме до морських зірок інженери вирішили звернутися з двох причин — відносна простота форми, яку можна адаптувати до робототехніки, а також, на їхню думку, ці тварини радше підлаштовуються під припливи води, аніж намагаються чинити ним опір. Так, вони також мають і поведінкові реакції на кшталт закопування у пісок або укриття, які можуть допомогти знизити вплив води, однак нові дослідження показують, що морські зірки також змінюють форму тіла у відповідь на умови хвиль, що може вказувати на суттєву роль форми. Вчені не заперечують, що морські їжаки можуть так само знати якийсь енергоощадливий спосіб втримуватися на місці у погану морську погоду, але вважають, що їхня шипаста сфероїдальна форма точно не дає змогу використовувати притискну силу, як це роблять зірки.
Як сила втримує зірок?
Однією з важливих характеристик для перегонових автомобілів є в тому числі притискна сила, яка притискає машину до дороги, посилює зчеплення та допомагає розганятися і маневрувати. Вчені помітили, що на їхні роздруковані на 3D-принтері моделі морських зірок різної форми, а особливо п’ятикутних, також діяла подібна сила — рідина притискала моделі до поверхні. Інженери штовхали свої моделі хвилями різної сили і помітили, як потік води просто відхилявся вгору, бо трикутна форма ніжок діяла як пандус. Так морська зірка відштовхує потік, а він створює рівну і протилежну силу, яка штовхає тварину вниз. За словами інженерів, це перше свідчення використання морськими зірками притискної сили, яка у тому числі може впливати на розвиток ними їхньої п’ятикутної форми.
У своїй роботі вчені обмежилися лише прикладами п’ятикутних морських зірок, хоча вони бувають з різною текстурою, кількістю ніжок та іншими морфологічними особливостями. За словами дослідників, вони розглядали моделі, зіставні за формою і розміром з дорослими фіолетовими морськими зірками, щоб виокремити вплив саме співвідношення сторін та форми. Так вже були дослідження, присвячені вивченню обтікання об'єктів різної геометричної форми, як-то куби, циліндри, конуси або піраміди, однак вони оцінювали лише опір та коефіцієнт цього опору навколишньому середовищу, не враховуючи підіймальну або навпаки притискну силу. Хоча вона, на думку науковців, є важливим показником для, наприклад, роботів, яким доведеться закріплюватися за якусь поверхню.
Траєкторії водних потоків від моделей різних форм. Кожна модель розміщена в спадному порядку виникнення притискної сили. Mark Hermes et. al. / Scientific Reports, 2021
Чому саме п’ять кутів?
У своїх експериментах, інженери ставили свої моделі так, щоб їхні кінцівки були напрямлені на потік води. Як і очікувалося, величина опору і притискної сили, створювані моделями, збільшувалися зі збільшенням швидкості хвилі, а у моделей за формою морських зірок сила опору збільшувалася зі збільшенням співвідношення сторін. Так п’ятикутні зірки були набагато більш стійкими. Результати моделювання показують, що притискні сили просто не виникають у конусо- або пірамідоподібних формах, навіть не зважаючи на те, що у них також є гострі вершини.
Дослідники наголошують, що використання таких морфологічних переваг дасть роботам змогу використовувати переваги навколишнього середовища замість того, щоб боротися з ним. Хоча варто зазначити, що у роботі вчені все ж розглянули досить обмежену вибірку форм, а у зонах з сильними приливними силами також потрібно враховувати й інерційні ефекти, це перша робота, яка зафіксувала вплив притискної сили через п'ятикутну форму тіла морських зірок.