Ученые МФТИ с коллегами представили математическую модель идеального рыбоподобного дрона, который удерживает нужную глубину без затрат энергии — только за счет скорости, правильного расположения центра тяжести, органов плавучести и плавников. Разработка может стать основой для создания широкого класса техники нового поколения — от исследовательских глубоководных аппаратов до подледных танкеров.
Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект №FSMG-2024-0047) и Российского научного фонда (проект №24-19-00433).
Как объяснили разработчики, в большинстве современных технических устройств для погружения и всплытия подводных аппаратов используют балластные системы. Это баки, в которые закачивают воду, чтобы аппарат стал тяжелее и пошел вниз, или вытесняют — чтобы он стал легче и всплыл. Среди недостатков метода — шум, который создают насосы, и затраты энергии на их работу.
Новое решение устраняет эти ограничения. В его основе — принципы биомиметики, копирование механизмов живой природы. Чтобы удерживать нулевую плавучесть (когда аппарат не тонет и не всплывает) ученые использовали плавательный пузырь — наполненную воздухом емкость с эластичными стенками, как у большинства костистых рыб.
«Одна из проблем, которая мешала внедрить подход,— в неустойчивом равновесии системы. При погружении давление воды сжимает пузырь, из-за чего выталкивающая сила падает, что заставляет аппарат и дальше тонуть. А при всплытии, наоборот, воздух расширяется и толкает дрон к всплытию. Однако в работе показано, что если правильно разместить плавательный пузырь, центр масс и гидродинамические крылья (плавники), то при движении вперед встречный напор воды автоматически выравнивает аппарат и удерживает его на нужном горизонте»,— объяснил суть инновации руководитель лаборатории нейробиоморфных технологий МФТИ и кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины Виктор Казанцев.
По его словам, в исследовании были сформулированы точные критерии и формулы, которые определяют компоновку, форму и скорость движения, необходимые для пассивной стабилизации дрона в водной среде. Так, согласно расчетам, если разместить пузырь и плавники ближе к хвосту, то встречный поток воды сам будет ровно вести аппарат на заданной глубине.
Такой пассивный гидродинамический механизм позволяет достичь почти полной бесшумности, существенно снижает расход энергии и повышает автономность аппарата. Исследователи намерены в соответствии с предложенными принципами изготовить опытные образцы подводных дронов и испытать их в реальных условиях.
Как объяснили ученые, человечество активно осваивает подводный мир. Главную роль в этом процессе играет морская робототехника. Бесшумные энергоэффективные дроны помогут длительно патрулировать акватории, наблюдая за течениями, изменениями температуры и солености среды. Также они будут полезны при исследовании подводных экосистем.
В Арктике и Антарктике подобные аппараты смогут без подзарядки совершать длительные подледные переходы, что станет основой для построение новых маршрутов. Например, для перевозки грузов, снабжения полярных экспедиций и нефтедобывающих платформ. Также они смогут доставить помощь судам, терпящим бедствие.
В исследовании кроме специалистов из Московского физико-технического института приняли участие их коллеги из Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, Университета НЕЙМАРК и Центра робототехники и технической кибернетики.
Научная статья: Ismailov N., Tschur N., Kazantsev G. et al. Speed-induced passive depth stabilization in a biomimetic underwater vehicle with a swim bladder // Scientific Reports, 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-56420-w
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект №FSMG-2024-0047) и Российского научного фонда (проект № 24-19-00433).
