Несмотря на значительный прогресс в развитии основных современных технологий, возможности свободного ориентирования под поверхностью воды все еще остаются крайне ограниченными. В то время как системы GPS и другие спутниковые технологии эффективно функционируют над водой, они полностью теряют работоспособность при погружении даже на глубину 30 сантиметров. Данную проблему решили ученые из Университета Квинсленда (Австралия), разработавшие систему подводной навигации, основанную на использовании поляризованного света по принципам, заимствованным у морских обитателей. В ходе длительных исследований различных видов морской фауны было установлено, что некоторые из них используют специфические механизмы восприятия поляризованного света для своих нужд. Нам удалось повторить все это и мы получили опытный образец системы, служащий доказательством тому, что это возможно” – рассказывает доктор Сэмюэль Пауэлл (Dr Samuel Powell).

Ученым уже некоторое время было известно, что некоторые морские животные, такие, как кальмары, креветки, каракатицы и осьминоги используют поляризованный свет для общения друг с другом.

Людям пока еще не удалось расшифровать этот “язык”, несмотря на использование специализированной оптики и современной вычислительной техники. Но ученым удалось выяснить то, что морские животные не только могут воспринимать поляризованный свет, они могут его отражать, что позволяет им отпугивать агрессивно настроенных конкурентов, к примеру.

Австралийские ученые поняли, что свойства поляризованного света, рассеиваемого водой, можно использовать и для подводной навигации. Образы поляризации этого света зависят от положения Солнца на небе, и информация, собранная специализированными оптическими датчиками, может быть использована в качестве своего рода компаса, который является основой подводной геолокационной системы.

“В настоящее время субмарины полагаются на систему GPS, для чего им требуется периодически подниматься на поверхность. Для ориентирования в подводном положении используются инерциальные системы и высокоточные расчеты” – рассказывает доктор Пауэлл, – “В этом случае, чем дольше не проводится привязка положения при помощи GPS, тем больше становится ошибка определения местоположения”.

Австралийские ученые провели проверку новой подводной навигационной системы в разных местах на земном шаре, в разное время суток и на различных глубинах погружения. Сейчас эта система обеспечивает приемлемую погрешность при погружении всего на шесть метров. Но ученые уверены, что дальнейшая модернизация системы позволит определять местоположение с глубины до 200 метров.

“Благодаря специализированным оптическим датчикам, которые измеряют поляризацию света, мы сможем обеспечить геолокализацию в режиме реального времени на достаточно большой глубине под водой. Высокая точность такого метода, которую мы планируем увеличить в ближайшем будущем, позволит подводным аппаратам постоянно знать свое текущее положение без необходимости периодического подъема на поверхность” – рассказывает доктор Пауэлл.

Для любознательных

Развитие подводных технологий сдерживается главным образом одной проблемой: под водой нет GPS. Радиоволны затухают в водной толще почти мгновенно. Из-за этого ученым приходится искать альтернативные методы ориентации, и самые эффективные подсказки они находят у природы.

Эхолокация и усы-вибриссы: как бионика меняет подводную навигацию

Мировой океан исследован менее чем на 10%. Главный барьер для робототехники и водолазов — отсутствие надежной навигации. Электромагнитные сигналы спутников (GPS, ГЛОНАСС) не проникают в воду глубже нескольких сантиметров.

Традиционные гидроакустические системы громоздки, энергозатратны и демаскируют аппарат. На помощь инженерам приходит бионика — наука о применении принципов живой природы в технике. Миллионы лет эволюции создали идеальные навигационные системы, которые ученые копируют прямо сейчас.

Настоящее: чему инженеры уже научились у природы

Современные бионические системы навигации активно внедряются в автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Разработки ведутся по трем ключевым направлениям:

1. Бионика дельфинов: адаптивная эхолокация

Морские млекопитающие не просто излучают ультразвук. Они динамически меняют форму своего жирового тела (мелона) на лбу, чтобы фокусировать звуковой луч.

• Технология: Современные сонары используют гибкие пьезоэлектрические решетки.
• Результат: Аппарат подстраивает частоту и ширину луча под рельеф дна. Это снижает шумы и экономит до 40% энергии батареи.

2. Оптическая поляризация: зрение рака-богомола

В приповерхностных слоях воды (до 100 метров) свет сильно рассеивается. Глаза некоторых ракообразных способны улавливать поляризацию солнечного света, пробивающегося сквозь воду.

• Технология: Установка на АНПА камер с поляризационными фильтрами.
• Результат: Робот определяет вектор солнца даже в мутной воде. Это позволяет вычислять точный курс без компаса, который может сбоить из-за магнитных аномалий.

3. Искусственная боковая линия: опыт рыб

Рыбы чувствуют малейшие колебания воды и изменение давления благодаря боковой линии — органу, состоящему из микроскопических рецепторов (нейромастов).

• Технология: Покрытие корпуса робота матрицей из пьезоэлектрических или волоконно-оптических MEMS-датчиков.
• Результат: Система фиксирует микротоки воды. Аппарат «чувствует» приближение к скалам или другому объекту до того, как сработают классические датчики.

Будущее технологии: на пороге революции

В ближайшие десятилетия подводная навигация станет полностью автономной и незаметной. Развитие технологий движется в сторону создания комплексных «чувствующих» платформ.

• Вибриссы тюленей для слепой навигации: Усы тюленей (вибриссы) имеют волнистую форму. Она гасит вибрации от собственного движения животного, но улавливает след от проплывшей мимо рыбы. В будущем роботы смогут ориентироваться в абсолютной темноте и гидроакустической тишине, двигаясь исключительно по гидродинамическому следу рельефа или других судов.
• Магниторецепция перелетных птиц и акул: Акулы и скаты используют электрорецепцию (органы Лоренцини). Инженеры работают над созданием квантовых магнитометров для подводных дронов. Роботы будущего будут сверять показатели локального магнитного поля Земли с цифровой картой, обеспечивая точность позиционирования до нескольких сантиметров без излучения сигналов.
• Роевой интеллект рыбьих косяков: Вместо одного дорогого аппарата в океан будут запускать тысячи мелких бионических роботов-рыб. Обмениваясь слабыми акустическими сигналами (подобно крикам дельфинов в стае), они создадут распределенную навигационную сеть. Потеря одного элемента не нарушит миссию.

Почему это важно?

Бионическая навигация решает три главные проблемы подводного поиска: скрытность, энергоэффективность и надежность.

Эти технологии необходимы для:

• Экологического мониторинга и изучения глубоководных впадин.
• Безопасного обслуживания нефтегазовых платформ и кабелей связи.
• Проведения спасательных операций в условиях нулевой видимости.

Природа уже создала идеальные чертежи для покорения океана. Инженерам остается лишь правильно перевести их на язык технологий.

Опыт исследований

Исследования в области бионической подводной навигации активно ведутся ведущими морскими державами. Основной упор делается на уход от GPS-зависимости, повышение скрытности аппаратов и создание миниатюрных «умных» сенсоров. 

Ниже представлен обзор ключевых исследовательских центров и их достижений в России и мире на текущий год.

Исследования в России

Российские ученые традиционно сильны в фундаментальной гидроакустике и математическом моделировании сложных физических сред. Основные работы сосредоточены в крупных научно-исследовательских институтах и оборонно-промышленных центрах:

Институт проблем морских технологий (ИПМТ) ДВО РАН (Владивосток):

• Направление: Пионер российской подводной робототехники.
• Разработки: Создание алгоритмов навигации для автономных подводных роботов (АНПА) по физическим полям Земли (рельеф дна, геомагнитные аномалии). Разработка биоподобных алгоритмов группового (рои́мого) взаимодействия роботов для картографирования шельфа. 

Севастопольский государственный университет (СевГУ):

• Направление: Комбинированные навигационные системы.
• Разработки: Проектирование высокоточных систем позиционирования для малых подводных дронов. Ученые комбинируют биомиметические оптические датчики с микроакустикой для достижения миллиметровой точности при обследовании причалов и корпусов кораблей. 

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва):

• Направление: Исследование гидродинамических полей и приповерхностная навигация.
• Разработки: Проектирование систем оптического распознавания образов и поляризационных параметров света в толще воды. Проекты тесно связаны с ИИ, анализирующим динамику волн и водного потока для корректировки курса роботов. 

Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ, Курск):

• Направление: Конструирование бионических роботов-рыб.
• Разработки: Инженеры создают малогабаритные колеблющиеся движители и оснащают корпуса матрицами тензодатчиков (прототип «боковой линии» рыб) для маневрирования в узких пространствах.

Мировые исследования

За рубежом акцент смещен в сторону коммерциализации технологий, создания гибких MEMS-сенсоров и гибридных роботов. 

США (Массачусетский технологический институт — MIT, Дартмутский колледж):

• Направление: Волоконно-оптическая «боковая линия» и ИИ.
• Разработки: Исследователи создали ультратонкие “шкуры” для АНПА, пронизанные микродатчиками давления. Интегрированные нейросети в реальном времени рассчитывают распределение сил вокруг аппарата, позволяя ему огибать препятствия в мутной воде на основе одних лишь гидродинамических колебаний.

Китай (Харбинский инженерный университет, Китайская академия наук):

• Направление: Роботы-амфибии и квантовая магнитометрия.
• Разработки: КНР активно развивает концепты гибридных дронов (способных летать в воздухе и плыть под водой подобно водоплавающим птицам). В области навигации они тестируют высокоточные атомные магнитометры, позволяющие роботу ориентироваться по магнитной карте дна без излучения звука.

Германия (Центр бионики в Саарбрюккене, компания Evologics):

• Направление: Бионика дельфинов и пингвинов.
• Разработки: Создан знаменитый АНПА Quadroin. Его каплевидный корпус полностью повторяет анатомию пингвина, обеспечивая идеальную гидродинамику. Аппарат оснащен передовым ИИ для навигации по стереокамерам и миниатюрным сонарам, имитирующим эхолокацию китообразных. 

Австралия (Квинслендский технологический университет):

• Направление: Оптическая поляризация.
• Разработки: Местные ученые создали датчики, способные улавливать поляризованный ультрафиолетовый свет под водой. Их навигационная система успешно прошла тесты на малых глубинах, позволяя роботам вычислять географические координаты без всплытия на поверхность для GPS-сессии.

Резюме: разница подходов