Теперь инженеры Массачусетского технологического института изготовили и протестировали крупномасштабную модель усов морского тюленя и определили механизм, который может объяснить, как тюлени воспринимают окружающую среду и отслеживают свою добычу.
Команда обнаружила, что усы тюленя выполняют две основные функции при восприятии окружающей среды: сначала они остаются неподвижными в ответ на собственные движения тюленя по воде, а затем колеблются в "слаломном" движении в ответ на турбулентность, оставленную движущимся объектом.
В своих экспериментах исследователи наблюдали, что как только изготовленные усы входят в след, оставленный проходящим объектом, он начинает вибрировать с той же частотой, что и проходящие вихри. Тщательная визуализация показывает, что усы «скользят» среди вихрей, как лыжник, зигзагообразный между флагами.
Исследования показывают, что этот слалом позволяет усу извлекать энергию из следа, заставляя его вибрировать с точной частотой следа – механизм, который может дать уплотнениям ключ к пониманию траектории объекта, его размера и даже формы.
Майкл Триантафиллу, Вильгельм I. Профессор Коха с кафедры машиностроения Массачусетского технологического института говорит, что датчики, созданные на основе биологических методов, смоделированные по образцу усов морского тюленя, могут помочь подводным аппаратам в отслеживании косяков рыб, а также источников загрязнения – цель, над которой он в настоящее время работает.
Он и бывшая аспирантка Хизер Бим, чья докторская диссертация легла в основу работы, опубликовали свои результаты в Journal of Fluid Mechanics.
«Успокаивающий эффект»
Усы морского тюленя уникальны по форме: даже невооруженным глазом отдельные усы кажутся не однородными, а волнистыми. Под увеличительным стеклом узор более замысловатый, с эллиптическим поперечным сечением, размер которого меняется по размеру.
«Замечательно видеть этот замысловатый рисунок, это не просто прямая антенна – это идеальная синусоида», – говорит Триантафиллу.
Он и Бим предположили, что необычная геометрическая морфология усов может сыграть роль в исключительной чувствительности тюленя.
Используя методы трехмерной печати, Бим воспроизвел волнистую морфологию тюленя в гораздо большем масштабе, чтобы точно измерить его реакцию на различные следы. Она проверила вибрационные свойства уса в 30-метровом резервуаре с водой с движущейся гусеницей, подвешенной над водой.
В своих экспериментах Бим сначала прикрепила искусственный ус к движущейся дорожке, позволив усу свободно вибрировать в воде, когда он перемещался по длине резервуара.
В то время как самые длинные и тонкие стержни имеют тенденцию создавать большие вихри или водовороты, когда они движутся через воду, образуя узор, хорошо известный в механике жидкости, Бим обнаружил, что волнистый узор геометрии усов создает гораздо более слабые вихри, позволяя усу двигаться бесшумно, с минимальной вибрацией, по воде.
Исследователи обнаружили, что морфология усов может помочь тюленю блокировать собственное беспокойство при движении в воде.
«Это как иметь возможность высунуть голову из окна машины и не слышать шума, чтобы в ушах не звенело: это успокаивающий эффект», – говорит Триантафиллу.
Датчик усов
Чтобы проверить, как усы реагируют на внешние раздражители, Бим провела вторую серию экспериментов, в которых она прикрепила большой длинный круглый цилиндр перед усом.
Когда цилиндр двигался вниз по резервуару, он создавал большие водовороты, похожие на узоры, создаваемые проходящей мимо рыбой.
В ответ она обнаружила, что ус, следуя за цилиндром, сильно вибрирует, двигаясь по схеме слалома среди вихрей.
По мере того как она меняла скорость движущегося пути, ус быстро адаптировался, вибрируя точно с частотой изменяющихся вихрей цилиндра.
«Геометрия усов позволяет этому явлению очень бесшумно перемещаться по воде, если вода спокойная, и извлекать энергию из следа рыбы, чтобы сильно вибрировать», – говорит Бим. "Теперь у нас есть представление о том, как тюлени могут находить рыбу, которую они не видят."
Триантафиллу говорит, что искусственные усы могут быть полезны в качестве маломощных датчиков для подводных аппаратов.
«У нас уже есть несколько датчиков, которые могут определять скорость, но теперь, когда мы лучше знаем, на что они способны, мы можем использовать их для отслеживания источников загрязнения и т.п.», – говорит Триантафиллоу. "Имея несколько усов на транспортном средстве, таких как тюлень, вы можете, например, обнаружить далекий шлейф и отследить его до самого конца."
Это исследование было частично поддержано Управлением военно-морских исследований, Альянсом по исследованиям и технологиям Сингапура и Массачусетского технологического института и программой морских грантов Массачусетского технологического института.