Ходить сложнее, чем прыгать
Казалось бы, что ползание и пресмыкание в силу относительной медленности такого перемещения не должны вызвать у нас особого интереса. Однако не будем спешить с выводами.
Оба способа заключают в себе один «секрет». Они основаны на использовании следующих друг за другом импульсов вибрации. Подбор этих импульсов может заставить грунт «потечь» или, наоборот, уплотниться. Эту механику прекрасно освоила среднеазиатская ящерица песчанка (круглоголовка). При малейшей опасности тело ящерицы начинает вибрировать, и через несколько секунд она погружается в песок, точно в воду. Чуть изменился «настрой тела», и та же ящерица легко скользит по самому рыхлому песку.
Заманчивый принцип... Эксперимент, однако, даже превзошел ожидания. При собственном весе около двух тонн и с двигателем всего в четырнадцать лошадиных сил (мощность мотоциклетного мотора!) виброход тащил по целине груз весом... до десяти тонн! Этот же виброход без труда взбирался на песчаные откосы такой крутизны, что человек одолеть их не мог. Преимущество оказалось столь очевидным, что в Польше построили виброход мощностью всего в триста ватт. И эта малютка развозит по цехам грузы весом в несколько центнеров!
Правда, пока не удалось достичь большой скорости виброходов. Но инженерный анализ принципа показывает, что это временное техническое затруднение и что довольно быстроходную «механическую ящерицу» создать все-таки можно. Простой по конструкции, надежный, весьма экономичный вибротранспорт с успехом может использоваться в песчаных пустынях и на Севере. И — что очень важно для этих мест — виброход не разрушает ни мерзлоты, ни тонкого слоя песчаной дернины. Наоборот, он даже укрепляет почву!
Так обстоит дело с ползанием и пресмыканием. Преимущество же принципа ходьбы и бега вряд ли требует пространного пояснения. Гепард, по свидетельству французского исследователя Франсуа Бульера, способен развивать скорость до 110 километров в час, и это по пересеченной местности! Для таких животных, как тигр, леопард, не преграда двухметровый барьер, а для горных козлов — отвесные скалы и широкие пропасти.
Забавно то, что впервые «принцип ходьбы» был использован не для решения проблемы бездорожья, а как раз наоборот: в 1813 году англичанин Брайтон приделал к паровозу ноги, и машина медленно, словно пешеход, покатилась по дороге, отталкиваясь от нее двумя железными конечностями... Курьезны бывают порой пути развития техники.
А вот факт уже не из области курьезов: несмотря на очевидную выгоду ногоходного движителя, ни одну полноценную бегающую машину создать пока не удалось. Здесь, как ни странно, многие разработки сворачивают на путь создания не шагающих, а прыгающих машин. Тут масса проектов: вездеход типа «Кузнечик», вездеход типа «Блоха», типа «Лягушка», а недавно инженер В. Турик предложил проект прыгающего автомобиля, прототипом которого стал кенгуру.
Что ж, прогулочный прыжок кенгуру в среднем равен полутора метрам. Во время бегства одним скачком она покрывает девять метров (иногда больше: у серого кенгуру был отмечен прыжок в 13,5 метра!). И за ней угонится не всякий автомобиль. Кенгуру — прекрасный прототип, но...
Прыгать вместе с автомобилем, вероятно, не самое приятное занятие. Толчок — взлет — удар; толчок — взлет — удар; так все время! Конечно, чтобы спасти груз и саму машину от повреждений, а пассажиров от увечий, прыгоход можно снабдить мощными амортизаторами. Но от простоты машины-прыгуна тогда ничего не останется. А сложная, громоздкая система малонадежна. Поэтому прыгоход вряд ли решит проблему бездорожья. Вот для трамбовки грунта он, верно, может пригодиться...
Возникает вопрос: почему же так рьяно разрабатываются проекты малоперспективных прыгоходов? Почему двери патентных бюро не осаждают толпы изобретателей шагающих, бегающих машин?
Ответ удручающе прост: воспроизвести бег «в металле» очень и очень непросто. Очень!
Разработать конструкцию автомобиля-кенгуру оказалось по силам одному человеку. А вот для создания бегающей машины, теперь это уже ясно, нужны совместные и упорные усилия коллективов биологов, биоников, инженеров, математиков, физиков. И эти усилия, как дальше увидим, прилагаются. Мы уже многое знаем о механике ходьбы и бега, но проблемы еще столь огромны, что «...для шагоходов, — как заметил академик И. И. Артоболевский, — условия динамического равновесия вовсе не разработаны».
Вовсе не разработаны! Вот насколько сложна теория того, что мы делаем каждодневно, постоянно, — ходьбы и бега. Непросто даже решить: чьи ноги лучше всего годятся для копирования?
Казалось бы, что за проблема! Тут богатый выбор. Но именно потому, что выбор богат, сделать его трудно!
Судите сами.
Парад ног
Природа создала ноги самых разных «конструкций». Одни обеспечивают высокую скорость, другие высокую проходимость, и сочетаний здесь великое множество.
Начнем с самого начала: сколько у нашего наиболее универсального вездехода должно быть ног? В созданиях природы прослеживается определенная закономерность: чем выше организация живого существа, тем меньшим количеством ног оно располагает. «Венцу творения» — человеку природа дала две ноги, стопоходящим животным — четыре, насекомым шесть. Есть и исключения: у паука ног восемь, а у сороконожки их двадцать пар.
Что выбрать? Скопировать самих себя? Но элементарный жизненный опыт подсказывает, что высшее творение природы — человек на своих двух ногах далеко не столь быстроходен и устойчив, как его эволюционный предок, который передвигался на четырех.
Не успели мы справиться с этой проблемой, как возникает новая. Медведь и обезьяна передвигаются на больших плоских ступнях; собаки и кошки бегают на пальцах, пятка у них всегда поднята над землей; резвые газели, антилопы и лошади — на кончиках копыт. Чему здесь отдать предпочтение?
И в чем, собственно, главная трудность воспроизведения шага и бега? Ответ был получен сравнительно недавно, и он оказался парадоксальным: в совершенстве конечностей высокоорганизованных животных. Очень интересные исследования ведутся в Институте зоологии Академии наук УССР. Проанализировав с помощью современных методик работу ног собаки, козы и лошади, сотрудники института В. Коток, С. Манзий, В. Мороз установили примерно следующее. В движении ног высокоорганизованных животных можно выделить две основные программы работы суставов и мускулов. Осуществление первой обеспечивает собственно ходьбу и бег; осуществление второй — вставание на дыбы, удары конечностями, разгребание земли, почесывание и так далее. Степень сложности конструкции ног на семьдесят — восемьдесят процентов обеспечивается именно такими мелкомоторными функциями. А они совершенно не нужны механическим шагающим устройствам! Нет, следовательно, никакого смысла воспроизводить всю конструкцию; надо сосредоточить внимание на «устройствах», которые обеспечивают основную программу движения.
Иными словами, чтобы воссоздать ноги, их надо упростить. Если высшим животным необходимы семь звеньев конечностей, шесть суставов и сорок локомоторных мышц, то шагающий автомобиль вполне может обойтись трехзвенными ногами, двумя подвижными узлами-суставами, шестью — восемью, а не сороке видами движений.
После этого вывода не покажется удивительным тот интерес, который исследователи проявляют сейчас к обыкновенному пауку. Ведь он быстро бегает, хотя его ноги практически лишены мышц. Как же это ему удается? Зоологи Кембриджского университета (Англия) Парри и Браун предположили, что текущая в ногах паука кровь играет в них роль гидропривода. Опыты подтвердили гипотезу. Оказалось, что если паук вытягивает лапки, то давление крови повышается в них настолько, что отвердевают их щетинки. Наоборот, при сгибании давление уменьшается. Тут возникают огромные перепады! Паук замер, давление крови в его организме всего на 0,05 атмосферы выше давления окружающего воздуха. Прыжок — давление мгновенно подскакивает в десять раз! Как раз «искусственная гипертония» и служит тем источником энергии, который позволяет пауку ставить. «мировые рекорды» в прыжках. Ведь европейские пауки-прыгуны, например, берут высоту, которая в десятки раз превосходит размеры их тела!
Воспроизвести природную гидравлическую систему, которая обеспечивала бы ходьбу, бег и прыжок, для инженера привычней и проще, чем возиться с имитацией мускулов. Но пока биологи, увы, не знают самого главного: как же пауки добиваются мгновенного перепада кровяного давления, за счет чего оно автоматически регулируется в сосудах. Когда, однако, бионики раскроют этот секрет, а он, конечно будет раскрыт, у них окажется «патент» очень перспективной конструкции вездехода для геологических, географических и прочих полевых работ, где не так важна скорость, как маневренность и высокая проходимость. Длинные голенастые ноги «металлического паука» нигде не увязнут, легко одолеют самые крутые подъемы, болото перейдут по кочкам, а речку по бревнышкам. Еще одно важное качество такой машины — затраты на преодоление больших расстояний окажутся невелики.
