Вдохновение природой: птицы, которые летают и ныряют
Гагары, чайки, тупики и буревестники - лишь малая часть из сотни видов птиц, умеющих и летать, и плавать. Эти ныряющие пернатые способны камнем падать в воду за добычей, а потом снова взмывать в небо.
Вдохновившись такими водоплавающими летунами, инженеры из Массачусетского технологического института и швейцарской EPFL создали робота. Он умеет плавать под водой, а затем, взмахнув крыльями, вырываться на поверхность и продолжать полёт - совсем как настоящая ныряющая птица.
Как устроен робот-птица
Аппарат с машущими крыльями, или FAAV, весит меньше 300 граммов (10,6 унции). Его задача - помочь учёным разобраться в механике, которая позволяет ныряющим птицам перемещаться и в воздухе, и в воде.
У робота есть центральный корпус (фюзеляж), два гибких машущих крыла и управляемый хвост. Крылья и хвост можно заменять - подбирать разные размеры.
В экспериментах, которые проводили в лабораторном бассейне и на местном озере, инженеры подобрали такие комбинации размера крыльев, частоты взмахов и угла хвоста, чтобы робот плавно переходил из толщи воды на поверхность и взлетал.
Практическая ценность открытия
Результаты опубликованы в журнале Science. Они могут помочь учёным понять, как ныряющие птицы адаптируют механику полёта к среде - воздуху или воде, у которых совершенно разные физические свойства.
Кстати, конструкция может дать старт новому классу дронов - воздушно-водных аппаратов. Исследователи представляют, как такие крылатые роботы будут использовать в океанографии: долетят до нужного района, возьмут пробы там, куда обычным судам опасно соваться.
«Наша мечта - чтобы океанографы, морские биологи и жители прибрежных зон запускали такого робота с лодки или с берега. Он долетит до интересующего объекта - айсберга, портового сооружения или стаи китов, - нырнёт, возьмёт пробу, вернётся и передаст данные. И всё это в разы дешевле традиционных методов. А потом снова отправится за новой порцией», - рассказывает Рафаэль Цуффери, доцент кафедры машиностроения MIT.
Цуффери - ведущий автор исследования. В работе также участвовали коллеги из EPFL и Северо-западного индейского колледжа в Беллингеме, штат Вашингтон.
Механика полёта: уроки природы
В MIT Цуффери руководит лабораторией AURA, где вместе со студентами конструирует летательные и подводные аппараты, вдохновляясь биомеханикой живой природы. Роботы у них небольшие - чтобы незаметно исследовать океаны и водоёмы и следить за их состоянием.
В новой работе команда поставила цель: создать аппарат, который умеет летать по воздуху и плавать под водой. Любая такая машина должна приспосабливаться к двум совершенно разным средам и переключаться между ними. Вода плотнее воздуха в тысячу раз - казалось бы, и механика нужна совсем разная. Но природа думает иначе.
«Приходится кое-что адаптировать, чтобы переход работал. Но решение уже существует в природе, - говорит Цуффери. - Тупики, например, летают в воздухе очень быстро, а ныряют и плавают со скоростью три метра в секунду. Они творят удивительные вещи. Мы знали, что это возможно. Просто никто раньше не пробовал воплотить такое в мобильном роботе».
Чтобы понять, как летают ныряющие птицы, команда изучила научную литературу и собрала доступные данные о тупиках, буревестниках, зимородках и других пернатых ныряльщиках.
Выяснилось: мелкие птицы машут крыльями около десяти раз в секунду в воздухе и примерно четыре раза в секунду под водой. У крупных птиц частота взмахов чуть ниже - и в воздухе, и в воде, из-за более широкого размаха крыльев.
Опираясь на биомеханику птиц, команда разработала крылатого робота, который машет крыльями с частотой, близкой к реальным ныряющим птицам.
Решительный прыжок: как робот вылетает из воды
Новый робот отдаленно напоминает птицу: у него есть корпус, два крыла и хвост. Внутри корпуса спрятаны аккумулятор и водонепроницаемый электромотор, который вращает коленчатый вал. Тот, в свою очередь, заставляет крылья взмахивать вверх-вниз с заданной частотой.
Сами крылья сделаны из тонких мембран, покрытых гидрофобными наночастицами - они помогают отталкивать воду. А хвост у робота тоже моторизован: меняя угол наклона, он позволяет машине взмывать вверх или пикировать вниз.
Машущий крыльями робот переходит из воды в воздух на естественном озере. Источник: Raphael Zufferey
Крылья можно заменять - под разные размеры. Исследователи изготовили и испытали три набора: маленькие (60 сантиметров в размахе), средние (80 сантиметров) и большие (метр). Сначала эксперименты проводили в небольшом резервуаре с водой, а затем - на Женевском озере в Швейцарии.
В ходе тестов робота помещали под воду, примерно на полметра ниже поверхности. Крыльям задавали определенную частоту взмахов, а хвосту - угол наклона на протяжении всего полета. Ученые наблюдали: при каких условиях машина успешно всплывает к поверхности, вырывается из воды и взлетает в воздух.
Робот совершил несколько полетов - с разными крыльями, разной частотой взмахов и разными углами хвоста. В итоге выяснилось: надежнее всего он плавает, летает и переходит из одной среды в другую со средними крыльями.
Ключевой момент - гибкость. Крылья должны быть достаточно податливыми, чтобы уменьшить амплитуду взмахов в воде, и одновременно достаточно жесткими, чтобы удерживать робота в воздухе.
Еще исследователи обнаружили: робот способен плыть под водой со скоростью почти метр в секунду, если машет крыльями с частотой около пяти герц (пять взмахов в секунду). В воздухе он летит примерно шесть метров в секунду при той же частоте. Скорости и частота взмахов оказались близки к показателям настоящих ныряющих птиц.
Чтобы совершить прыжок из воды в воздух, робота нужно наклонить на 70 градусов - довольно крутой угол, который не дает кончикам крыльев касаться водной глади, когда машина взмахивает и взлетает. Если угол сделать еще круче, робот опрокинется обратно в воду.
Неожиданный вывод: лапы не нужны
И вот что любопытно: именно такое сочетание размера крыльев, частоты взмахов и угла хвоста позволило роботу плавать под водой, отрываться от поверхности и летать - без того, без чего не обходится большинство ныряющих птиц. Без лап.
Когда птицы вроде тупиков или уток взлетают с воды, они не только машут крыльями и меняют угол хвоста, но и отталкиваются лапами. Но Цуфферей с коллегами с удивлением обнаружили: по крайней мере в робототехнике, чтобы вылететь из воды, грести вовсе не обязательно.
«Если посмотреть на птиц, большинству из них нужно грести лапами на поверхности, чтобы взлететь. И мы задались вопросом: нужно ли то же самое роботам? Оказалось, что нет», - говорит Цуфферей.
Планы на будущее
Сейчас команда дорабатывает конструкцию крыльев: хочет, чтобы они не только махали вверх-вниз, но и поворачивались. Кроме того, робота испытают в неспокойных условиях - например, при взлете с бурной воды и полете против ветра. А затем машину планируют использовать для сбора данных в океанологии.
«Одна из главных проблем в науке об океане - собирать данные часто и во многих точках одновременно. Этот робот мог бы решить эту задачу в будущем, - объясняет Цуфферей. - Его можно запускать не раз в неделю, а каждый час. Он способен быстро вылететь, нырнуть, вернуться, передать данные и снова отправиться в путь - и так много раз».
Данные о публикации
Raphael Zufferey, Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aeb6744. www.science.org/doi/10.1126/science.aeb6744
Кто стоит за этой историей? Сэди Харли
Бакалавр наук в области наук о жизни и экологии. Опыт работы в микробиологической лаборатории, а также в освещении фармацевтических новостей в нефтяной, газовой и возобновляемой энергетике. Полный профиль →
Эндрю Зинин
Магистр физики с опытом научных исследований. Давний энтузиаст научных новостей. Играет ключевую роль в редакционном успехе Science X. Полный профиль →
Эта история перепечатана с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярного сайта, освещающего исследования, инновации и преподавание в MIT. Цитата:
Робот, похожий на птицу, плавает под водой, а затем взлетает в воздух без гребли (2026, 9 июля) получено 10 июля 2026 г. с https://techxplore.com/news/2026-07-birdlike-robot-underwater-flight.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением случаев добросовестного использования в целях частного изучения или исследования, никакая его часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставляется только для ознакомления.
