Учёные из Сколтеха и МГУ узнали, зачем микроскопическим жукам похожие на пёрышки крылья вместо распространённых среди более крупных насекомых пластинчатых крыльев — как у стрекоз, пчёл или комаров. Крыло, по большей части состоящее из отдельных щетинок, между которыми есть просветы, весит меньше, чем сплошная крыловая пластинка. Для микронасекомых это вдвойне важно, потому что на них особенно сильно действует трение воздуха — чтобы его преодолеть, приходится совершать крыльями широкие взмахи, как вёслами при гребле. В будущем полученные данные об оптимальном строении таких крыльев могут пригодиться при создании крошечных беспилотных аппаратов, вдохновлённых жуками размером меньше миллиметра. Поддержанное грантом РНФ исследование опубликовано в журнале PNAS и попало на обложку выпуска.

Крошечные беспилотники, устройство которых подражает насекомым, пока не вышли за рамки научных лабораторий, но с развитием технологий могут оказаться полезными для сбора информации в ситуациях, где важен компактный размер или незаметность. В будущем рои насекомоподобных дронов смогут использоваться в спасательных операциях, проверять состояние труднодоступных коммуникаций в тесных пространствах внутри зданий — например, в лифтовых шахтах и вентиляции — или незаметно собирать разведданные и сведения о поведении животных в дикой природе.

На сегодня самыми миниатюрными экспериментальными управляемыми дронами считаются 2,5-граммовый «Пикколиссимо» диаметром 2,5 см, созданный в Пенсильванском университете (США) в 2016 году, 3-сантиметровая гарвардская «Робо-пчела» (2012) и недавно представленный в Китае 0,3-граммовый, 1,5-сантиметровый дрон-комар от Национального университета оборонных технологий. При этом преимущество машущих крыльев перед пропеллерами — меньший уровень шума и большая безопасность в случае столкновений.

Дальнейшей миниатюризации препятствуют не только сложности с аккумуляторами, но и особенности самой механики полёта: при таких размерах силы вязкого трения воздуха оказываются сравнимыми с силами инерции летящего насекомого, которому в результате оказывается сложнее «продираться» через воздух, чем более крупным летунам. В связи с этим и сами крылья наиболее миниатюрных насекомых устроены неожиданным образом.

«Давно известно, что размер около миллиметра — это своего рода граница: если насекомое крупнее, у него будут привычные нам крылья в форме сплошных пластинчатых мембран. Но у многих более мелких насекомых крылья перистые: они состоят из отдельных щетинок, между которыми есть просветы. Почему так получилось, было неясно», — рассказывает старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха Дмитрий Коломенский, первый автор исследования.

Вопрос, зачем крошечным насекомым перистые крылья, не праздный. Дело в том, что естественный отбор устроен так, что не любое «техническое решение» стоит заимствовать у природы в попытке создать, например, крошечный беспилотник. Пока форма крыльев достоверно не увязана с аэродинамическими преимуществами, всегда остаётся шанс, что в природе этот инструмент используется для привлечения других насекомых, распространения запахов или чего угодно другого, что не нужно дрону.

Авторы исследования собрали данные по десятку родственных видов жуков разного размера, проанализировали устройство их крыльев и установили, что наличие перистых крыльев хорошо объясняется с механической точки зрения. Такая структура действительно ведёт к минимизации массы, как если бы из пластиковой линейки вырезали весь материал, кроме первого миллиметра в каждом сантиметре. Только в макроскопическом мире летать на такой «расчёске» нельзя, а при достаточно малом размере — можно.

«Мы считаем, что длины и диаметры щетинок в крыле таковы, чтобы они не сильно сгибались, а зазор между щетинками — максимальный, но притом достаточно узкий, чтобы между ними не мог протекать воздух при полёте: просветы примерно в 10 раз больше диаметра щетинок. Уменьшать просветы дальше нет смысла, потому что это сделает крыло тяжелее зазря. Увеличивать просветы тоже нет смысла, потому что крыло перестанет работать», — прокомментировал структуру крыла один из авторов исследования, старший научный сотрудник МГУ Пётр Петров.

По словам исследователей, пока габариты аккумуляторов и другие технические ограничения препятствуют миниатюризации насекомоподобных дронов, перистые лопасти могут найти применение в прокачке жидкостей по сверхтонким трубам и фильтрации микроскопических частиц. Кроме того, использование новых материалов может сделать природную конфигурацию перистого крыла работоспособной в несколько большем масштабе, чем у насекомых.