Malý vodní brouk se pohybuje rychlostí, která zdánlivě porušuje fyzikální zákony. Jak je to možné, teď poprvé vysvětlil tým amerických vědců. Výsledky by se daly využít pro konstrukci rychlejších a obratnějších dronů.
Vírník je nenápadný brouk žijící ve vodě. Měří asi půl centimetru, jeho tělo nejvíc připomíná malou pecku. Jenže vzhled klame: tento tvoreček patří mezi nejrychlejší plavce světa.
Dokážou dosáhnout takového zrychlení, že vzdálenost odpovídající stonásobku délek svého těla urazí za jednu sekundu – což odpovídá rychlosti jeden metr za sekundu. Pro srovnání: kdyby takhle rychle měl plavat člověk (úměrně velikosti svého těla), prořezával by hladinu rychlostí 720 kilometrů za hodinu. To je pětinásobek rychlosti těch nejrychlejších klasických torpéd.
Jak to vírník dělá? To popsala nová studie vědců z Cornellovy univerzity, která také nabízí zkušenosti, jež by se daly využít pro konstrukci robotů a člunů bez posádky.
Až doposud si vědci mysleli, že vírníci dosahují své impozantní rychlosti pomocí pohonného systému, který vyžaduje, aby se nohy hmyzu pohybovaly rychleji, než je rychlost plavání. Jen tak mohou končetiny vytvářet dostatečný tah. Jenže aby brouk dosáhl tak vysoké rychlosti, musely by jeho nohy tlačit na vodu neskutečnou rychlostí. „Bylo to divné,“ připouští Chris Roh, který výzkum vedl. „Nejrychlejší plavec a tah založený na odporu obvykle nejdou dohromady.“ A tak vědci hledali jiné řešení.
Našli ho u mořských savců a ptáků. Ti se pohybují tak rychle díky vztlaku, popsali ve studii, která vyšla 8. ledna v odborném časopise Current Biology. Prokázaly to záběry ze dvou vysokorychlostních kamer synchronizovaných pod různými úhly. Díky nim mohli vědci natáčet vírníka v pohybu a dobře pozorovat, co se vlastně děje.
Vírník se pohybuje jako rychlostní člun
Tento způsob pohybu funguje vlastně dost podobně jako u lodního šroubu. Je totiž kolmý k vodní hladině, což eliminuje odpor a umožňuje efektivnější hybnost schopnou dosáhnout větší rychlosti. „V biologii je těžké věci otáčet,“ vysvětluje Roh, který je expertem na aplikaci přírodních procesů v mechanice. „Dalo by se tedy říci, že nohy vírníka jsou částečnou vrtulí, která se otáčí a pak se zasune, než se znovu nastaví a částečně se opět otáčí.“
Na základě pozorování vytvořili vědci model, který popsal, co přesně je tím rozhodujícím faktorem, který pomáhá vírníkovi vytvořit tento efekt lodního šroubu a dosáhnout takové rychlosti. Zjistili, že klíčový je úhel, v němž se končetiny brouka pohybují vůči vodní hladině. Je dokonale vyladěný na to, aby dosahoval optimálního výkonu – což je možné díky dvěma stům milionům roků evoluce.
Tento způsob pohybu ve vodě už dříve věda popsala u velkých savců, například lachtanů, delfínů a velryb. Vírníci jsou unikátní v tom, že jde o jednoznačně nejmenší organismus, který tuto techniku využívá.
Cesta k rychlejším robotům
„Doufáme, že tyto výsledky osloví vědce, kteří se věnují robotice inspirované živými organismy. Měly by jim napovědět, aby nejprve identifikovali fyzikální základ studovaného fenoménu a teprve potom se pokoušeli to aplikovat na vytváření robotů,“ dodal Roh.
A možných aplikací jsou spousty. Americké vojenské námořnictvo se v současné době koncentruje na vývoj bezpilotních plavidel, obdoby létajících dronů. Tradiční konstrukce lodí je omezena tím, že na nich musí být lidská posádka. Kdyby tam ale nebyla, mohly by být lodě mnohem menší, flexibilnější a také rychlejší a schopnější obratnějšího manévrování.
