Введение

При создании современных изделий и конструкций применяются технологии бионического дизайна. В основе бионического дизайна заложен подход проектирования и изготовления инженерных изделий путем заимствования их формы и конструкций по примеру природных [1–3].

Анализ работ [1–5] показывает, что, несмотря на длительную историю использования принципов функционирования живой природы, данная тема не изучена в полной мере.

Как отмечено в работах [6–8], насекомые являются самым многочисленным и распространенным классом животных на нашей планете. При этом 10–15 % из общего числа насекомых составляет отряд перепончатокрылые. Согласно Аннотированному каталогу перепончатокрылых насекомых России [9], из общего числа видов отряда перепончатокрылых более 20 % составляют жалоносные. К жалоносным перепончатокрылым относятся: муравьи, осы, пчелы и шмели [9]. К характеристикам данных насекомых относятся их высокая скорость и маневренность полета [10]. Отмечено, что представители жалоносных перепончатокрылых обладают повышенными аэродинамическими характеристиками, что позволяет им совершать быстрые ускорения, смена траектории полета, зависание и др. При этом стоит отметить, что повышенные аэродинамические характеристики полета должны обеспечивать глаза насекомого, которые составляют до 30 % фронтальной площади головы.

Гипотеза работы: изучение структуры глаза жалоносных позволит сформировать подходы к проектированию инженерных изделий, в том числе спортивного назначения (авто и мотошлемы, горнолыжные очки, и др.), к которым предъявляются повышенные аэродинамические требования. В связи с этим актуальной задачей является исследование аэродинамических свойств органов зрения перепончатокрылых насекомых.

Объект исследования : органы зрения перепончатокрылых насекомых.

Предмет исследования : поверхностная структура и аэродинамические свойства органов зрения перепончатокрылых насекомых.

Цель : изучить поверхностную структуру и аэродинамические характеристики органов зрения перепончатокрылых насекомых на примере пчелы, осы и шмеля.

Задачи:

1. Литературный анализ органов зрения перепончатокрылых насекомых.
2. Разработка методики проведения исследования.
3. Проведение микроструктурного анализа органов зрения шмеля, пчелы, осы.
4. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик объектов-имитаторов формы глаза.

Методы исследования . В работе использованы эмпирические методы исследования: оптическая микроскопия, исследование в аэродинамической трубе.

1. Литературный анализ органов зрения перепончатокрылых насекомых

Анализ работ [11–13] показал, что основным парным органом зрения перепончатокрылых насекомых, в том числе жалоносных, являются фасеточные глаза. Структура фасеточного глаза представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Структура фасеточного глаза

Фасеточные глаза состоят из единичных структур — омматидиев, имеющих вид узких, сильно вытянутых конусов, сходящихся своими вершинами в глубине глаза, а своими основаниями образующих его сетчатую поверхность.

Каждый омматидий имеет ограниченный угол зрения и «видит» только тот крошечный участок находящегося перед глазами предмета, на который направлено продолжение оси данного омматидия; но так как омматидии тесно прилегают друг к другу, а при этом их оси расходятся лучеобразно, то сложный глаз охватывает предмет в целом, причем изображение предмета получается мозаичным (то есть составленным из множества отдельных кусочков) и прямым (а не перевёрнутым, как в глазу человека).

Фасеточные глаза являются неподвижным органом и занимают до 30 % фронтальной площади головы жалоносных. Таким образом, в процессе полета насекомого, от формы головы и, в частности фасеточного глаза, зависит аэродинамика всего насекомого [14]. На основе теоретических исследований показано, что поверхности фасеточных глаз по бокам головы плавно переходят в хитиновый панцирь, что уменьшает турбулентность на передней кромке тела во время полета. Установлено, что широкое основание головы, за счет органов зрения, помогает распределять давление встречного воздуха, создавая стабильную базу для крепления груди (торакса), где расположены основные «двигатели» — крылья. При этом важно отметить, что к жалоносным насекомым (пчелы, осы, шмели) предъявляются повышенные требования к маневренности, управляемости и стабильности полета.

Косвенным примерами, доказывающими влияние поверхностной структуры по типу фасеточной, могут являться работы по анализу аэродинамических свойств мячей для гольфа [15].

На рисунке 2 представлен общий вид и аэродинамические свойства мяча для гольфа.

Рис. 2. Аэродинамические свойства мяча для гольфа

Отмечается, что полет мяча для гольфа существенным образом отличается от поведения гладких мячей. Полет мяча для гольфа характеризуется стабильной и управляемой траекторией полета. Наличие на поверхности мяча ямок (димплы) позволяет уменьшить сопротивление воздуха, тем самым увеличивая дальность полета. В работе [15] показано, что воздух при взаимодействии с единичными ямками создает на поверхности мяча тонкий поверхностный слой, позволяющий скользить через поток встречного воздуха. При этом за мячом формируется зона пониженного давления воздуха.

В работе [16] показано, что нанесение на традиционный (круглый) мяч, единичных ямок произошло случайно. Однако был установлен положительный эффект, который лег в основу создания современных мячей для гольфа.

Наиболее распространенные технологические решения с применением подходов бионического дизайна на основе фасеточного глаза насекомого являются высокоскоростные камеры, датчики и эндоскопы (Рисунок 3) [17].

Рис. 3. Высокоскоростная камера по принципу фасеточного глаза

На основе проведенного анализа установлено, что в настоящее время не в полной мере изучено влияние внешней структуры глаза жалоносных насекомых на их аэродинамические характеристики. В рамках исследования сформулирована гипотеза о возможности применения структурных особенностей внешней поверхности глаза жалоносных насекомых при проектировании инженерных изделий, к которым предъявляются повышенные аэродинамические требования.

2. Методика проведения экспериментального исследования

В качестве объект исследования выбраны органы зрения перепончатокрылых жалоносных насекомых: шмель, пчела, оса.

Предмет исследования является поверхностная структура и аэродинамические свойства органов зрения перепончатокрылых жалоносных насекомых.

На рисунке 4 представлены 3 вида жалоносных насекомых, выбранных для проведения исследования.

Рис. 4. Образцы жалоносных насекомых: А) Пчела, В) Оса, С) Шмель

Для изучения строения органов зрения, голова насекомого отсекалась от туловища при помощи скальпеля и закреплялась на предметное стекло при помощи липкой ленты.

Анализ поверхностной структуры органов зрения проводился на оптическом микроскопе Olympus GX 51 при увеличении 100х и 200 х (рисунок 5).

Рис. 5. Оптический микроскоп Olympus GX 51

Для изучения аэродинамических характеристик органов зрения жалоносных насекомых разработана экспериментальная методика по измерению скорости и давления потока воздуха при обтекании двух цилиндрических образцов — имитаторов гладкого и фасеточного глаза. Образцы имитаторы представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Экспериментальные образцы — имитаторы: А) Гладкая поверхность; В) Фасеточная поверхность

Экспериментальные испытания проводились на лабораторной аэродинамической трубе (рисунок 7).

Рис. 7. Аэродинамическая труба

Исследуемые объекты закреплялись неподвижно внутри рабочей камеры аэродинамической трубы. Прибор для измерения характеристик потока воздуха (Трубка Пито) располагался за объектом (рисунок 8).

Рис. 8. Закрепление экспериментальных образцов–имитаторов: А) Фасеточная поверхность; В) Гладкая поверхность

Координатная схема размещения, образцов имитаторов, а также точки, в которых проводился замер показаний, представлены на рисунке 9.

Рис. 9. Координатная схема размещения образца-имитатора

Значения параметров в рабочей камере аэродинамической трубы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения параметров в рабочей камере аэродинамической трубы

Экспериментальные исследования проводились на 50 % мощности аэродинамической трубы. В качестве измеряемого параметра выбрано давление потока воздуха в 9 точках, согласно координатной схеме (рисунок 9).

3. Результаты исследования и обсуждения

На рисунках 10–12 представлена поверхностная структура органов зрения жалоносных насекомых: шмель, оса, пчела.

Рис. 10. Поверхностная структура органа зрения осы: А) Увеличение 100 х; В) Увеличение 200 х

Рис. 11. Поверхностная структура органа зрения пчелы: А) Увеличение 100 х; В) Увеличение 200 х

Рис. 12. Поверхностная структура органа зрения шмеля: А) Увеличение 100 х; В) Увеличение 200 х

На основе проведенного анализа установлено, что поверхность органов зрения рассмотренных насекомых имеет идентичную фасеточную структуру, что не противоречит существующим научным данным. На некоторых образцах органов зрения наблюдаются поврежденные участки, что свидетельствует о возможном контакте насекомого со встречными объектами во время полета. Отмечено, что единичная омматидия имеет форму шестиугольника. Наблюдается плотное прилегание шестиугольников друг к другу. Общий вид поверхностной структуры органа зрения напоминает медовые соты. Возможной причиной, такой формы единичного омматидия является обеспечение геометрической замкнутости и прилегание единичных структур фасеточного глаза без зазоров. Шестиугольная форма характеризуется наименьшим периметром при максимальной площади поверхности, позволяющая собирать единый контур без пустот. Подобная структура, по аналогии с пчелиными сотами, характеризуется повышенной прочностью и упругостью.

Для визуализации результатов измерения давления потока воздуха, полученные результаты представлены в виде координатных схем на рисунке 13.

Рис. 13. Результаты измерения давления потока воздуха

Анализ результатов показал, что при обтекании потоком воздуха объекта имитирующего орган зрения с фасеточной структурой происходит падение давления на границах контакта. Отмечается, что величина разности давления не значительная, что может быть связно с погрешностями при проведении измерения. Однако на основании полученных результатов возможно предположить, что фасеточная структура способствует появлению пограничного слой на поверхности объекта. Что в свою очередь позволяет создать зону с пониженным заявлением и оказать влияние на характеристики полета. Таким образом, можно предположить, что фасеточная структура органов зрения жалоносных насекомых обеспечивает не только заданные зрительные свойства, но также оказывает влияние на его аэродинамические характеристики.

4. Выводы

1. Установлено, что основным органом зрения перепончатокрылых жалоносных насекомых является фасеточный глаз. Показаны теоретические и экспериментальные подходы к созданию инженерных объектов с применением методов бионического дизайна на основе структуры глаза насекомого.
2. Разработана методика проведения исследования аэродинамических характеристик органов зрения рассматриваемой группы насекомых с применением объектов-имитаторов с гладкой и фасеточной структурой. Показано, что предложенная методика позволяет установить предварительные характеристики влияния структуры поверхности глаза на изменение давления потока.
3. На основе микроструктурного анализа органов зрения пчелы, осы и шмеля установлено, что единичная омматидия имеет форму шестиугольника. Наблюдается плотное прилегание шестиугольников друг к другу. Общий вид поверхностной структуры органа зрения напоминает медовые соты. Так как сотовая структура характеризуется повышенной прочностью, можно предположить, что глаза насекомого выполняет не только зрительные но и защитные функции.
4. На основе экспериментальных исследований установлено, что фасеточная структура глаза способствует снижению давления потока воздуха. Таким образом, снижается сопротивление воздуху, что способствует стабилизации, маневренности и управляемости полетом.
5. Подтверждается гипотеза о теоретической возможности применения структуры фасеточного глаза при создании инженерных изделий, в том числе спортивного назначения. Характеристикой таких объектов будет рациональное сочетание аэродинамических и прочностных свойств.

Литература:

1. А. И. Боровков, В. М. Марусева, Ю. А. Рябов, Л. А. Щербина Бионический дизайн / А. И. Боровков [и др.]. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. — 92 с.
2. Krishnakumar V. Biomimetic architecture: School of Planning and Architecture seminar 2011–2012. — URL: http://www.slideshare.net/vaisalik/biomimetic-architecture (дата обращния: 10.12.2025).
3. Гридюшко А. Д., Чентемирова Е. Г. Биомиметические принципы формообразования вертикальных ферм как новой типологии в агропромышленной архитектуре // Архитектура и современные информационные технологии. — 2013. — № 4 (25). — URL: www.marhi.ru/AMIT/2013/4kvart13/gridushko/gridushko.pdf (дата обращения: 10.12.2025).
4. Боровков, А. И. Окно возможностей открыто. Ритм машиностроения. 2020;1:22–25. http://assets.fea.ru/uploads/fea/news/2020/03_march/13/ rhythm_of_machinery_1_2020.pdf. (дата обращения: 10.12.2025).
5. В рамках проекта Bionic Aircraft от Airbus разрабатывается комплексная система для проектирования бионических конструкций под аддитивное производство. https://fea.ru/news/6545. (дата обращения: 10.12.2025).
6. Захваткин Ю. А. Биология насекомых. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2025 (переиздание). — 392 с.
7. Акимушкин И. И. Мир животных: Насекомые. Пауки. Домашние животные. — М.: Мысль, 1990. — 462 с.
8. Петров П. Н. Насекомые. — М.: Проспект, 2025. — (Серия «Расту с книгой»).
9. Аннотированный каталог перепончатокрылых насекомых России. Том I. Сидячебрюхие (Symphyta) и жалоносные (Apocrita: Aculeata) / Под общ. ред. С. А. Белокобыльского, А. С. Лелея. — Санкт-Петербург: Зоологический институт РАН, 2017. — 475 с. — (Труды Зоологического института РАН. Приложение № 6). — ISBN 978–5–98092–062–3
10. Farisenkov, S. E., Kolomenskiy, D., Petrov, P. N., Engels, T., Lapina, N. A., Lehmann, F.-O., Onishi, R., Liu, H., & Polilov, A. A. (2022). Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles. Nature, 602(7895), 96–100. DOI: 10.1038/s41586–021–04303–7
11. М. С. Гиляров, Р. К. Пастернак. Тип Членистоногие (Arthropoda). Общий очерк // Жизнь животных. В 7 т. / гл. ред. В. Е. Соколов. — 2‑е изд., перераб. — М.: Просвещение, 1988. — Т. 2: Моллюски. Иглокожие. Погонофоры. Щетинкочелюстные. Полухордовые. Хордовые. Членистоногие. Ракообразные / под ред. Р. К. Пастернак. — С. 289–290. — 447 с.: ил. — ISBN 5–09–000445–5.
12. Г. А. Мазохин-Поршняков. Зрение насекомых: учебное пособие / Г. А. Мазохин-Поршняков. — Москва: Большая советская энциклопедия, 1965.
13. В. Соломатин. Фасеточное зрение: перспективы в оптико-электронных системах // Фототоника. — 2009. — № 1. — С. 22–26.
14. Farisenkov, S. E., & Polilov, A. A. (2025). Aerodynamic interaction between the head and thorax in honeybee flight stability. Journal of Experimental Biology, 228(2). [Исследование аэродинамического взаимодействия головы и груди для стабилизации полета].
15. Choi, J.-I., Jeon, W.-P., Choi, H. Mechanism of drag reduction by dimples on a sphere // Physics of Fluids. — 2006. — Vol. 18, No. 4.
16. Smithsonian Magazine. Over 600 Years, the Golf Ball Has Evolved From a Primitive Wood Sphere to a Smart Ball with Sensors. — June 19, 2025.
17. Kim H.-K., Cha Y.-G., Kwon J.-M., Bae S.-I., Kim K., Jang K.-W., Jo Y.-J., Kim M. H., Jeong K.-H. Biologically inspired microlens array camera for high-speed and high-sensitivity imaging // Science Advances. 2025. Vol. 11, № 1. DOI: 10.1126/sciadv.ads3389