Российские учёные разработали математическую модель для подводных дронов, которые смогут менять глубину по принципу, похожему на работу плавательного пузыря у рыбы. Новый подход позволит аппаратам тратить меньше энергии и дольше работать автономно под водой. Исследование провели учёные МФТИ. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Плавательный пузырь помогает костистым рыбам регулировать плавучесть. Но у такого механизма есть особенность — при изменении глубины объём газа в пузыре меняется из-за давления. Поэтому рыба оказывается в неустойчивом равновесии. Изменить количество газа в пузыре можно физиологически, но на это требуется время.

Большинство современных подводных дронов решают задачу иначе. Для изменения глубины они используют балластные системы, которые перекачивают воду. Это требует энергии и создаёт шум.

Учёные МФТИ показали, что подводный аппарат с изменяющимся объёмом и плавательным пузырём можно стабилизировать во время движения. Иными словами, робот может использовать собственное движение для поддержания нужного положения в воде.

По словам руководителя лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ Виктора Казанцева, если разместить пузырь в хвостовой части такого робота и уменьшить его объём, задняя часть аппарата начнёт опускаться, а плавники будут её стабилизировать. При увеличении объёма происходит обратное: хвост начинает подниматься. Балансируя между этими состояниями, аппарат может перемещаться.

Согласно расчётам, устойчивость при движении возникает благодаря связи между наклоном аппарата и его перемещением вверх или вниз. Для этого плавательный пузырь и точка приложения подъёмной силы должны находиться позади центра масс. При этом устойчивость появляется только после достижения определённой скорости. Если двигаться слишком быстро, аппарат снова становится неустойчивым из-за скоростно-геометрического фактора.

Теперь разработчикам предстоит проверить расчёты на реальных прототипах. На работу такой системы будут влиять давление на разных глубинах, прочность материалов, способность противостоять течениям и точность управления.

Подводные дроны могут использоваться для экологического мониторинга водоёмов, изучения морских животных, исследования подводных экосистем, поиска загрязнений и контроля состояния трубопроводов. Биоподобная конструкция особенно интересна для наблюдения за окружающей средой и животными, поскольку позволяет уменьшить воздействие аппарата на неё.

Если расчёты подтвердятся, специалисты получат инструмент для проектирования экономичных подводных аппаратов, способных выполнять длительные автономные миссии. Все данные и код модели находятся в открытом доступе на GitHub.