في غرفة مستطيلة مغطاة بشباك مموهة ، تناوب أربعة من صقور هاريس على الطيران ذهابًا وإيابًا بين جثث مغطاة بالعشب بينما سجل العلماء كل رفرفة ميكانيكية حيوية. كان الباحثون يشاركون في السعي الحافل بمشاهدة الطيور وهي تطير - على الرغم من أن اهتمامهم الحقيقي في هذه التجربة كان بمراقبتها وهي تهبط.
في أكثر من 1,500 رحلة جوية بين الجثم ، سلك الصقور الأربعة دائمًا نفس المسار - ليس الأسرع أو الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، ولكنه المسار الذي سمح لهم بالجلوس بأمان وبأكبر قدر من التحكم. كما جراهام تايلور، أستاذ علم الأحياء الرياضي بجامعة أكسفورد ، وزملاؤه وصفت مؤخرا in الطبيعة، طار الصقور في قوس على شكل حرف U ، فرفرفت أجنحتها بسرعة لتسرع في الغوص ، ثم انقضت بحدة إلى أعلى في انزلاق ، وتمتد أجنحتها لإبطاء تقدمها قبل الاستيلاء على الفرخ.
قال "مشاهدتهم غريبة بشكل رائع" ليديا فرنسا، عالم بيانات بحثية في معهد آلان تورينج وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أكسفورد الذي صمم التجارب وساعد في إجرائها. إن قدرة الصقور على الهبوط عن طريق التوقف تقريبًا في الجو لا مثيل لها من قبل نظرائهم الميكانيكيين.
قال "Evolution" لقد خلق جهاز طيران أكثر تعقيدًا بكثير مما كنا قادرين على هندسته في أي وقت مضى " ساميك بهاتاشاريا، وهو أستاذ مساعد في مختبر ميكانيكا الموائع التجريبية بجامعة سنترال فلوريدا. الأسباب التي تجعل طائرات اليوم لا تتطابق مع قدرة الطيور على المناورة ليست مجرد مسألة هندسية. على الرغم من أن الطيور قد تمت ملاحظتها بدقة عبر التاريخ وألهمت تصميمات لآلات الطيران بواسطة ليوناردو دافنشي وآخرين على مر القرون ، إلا أن الميكانيكا الحيوية التي تجعل قدرة الطيور على المناورة ممكنة كانت لغزا إلى حد كبير.
A دراسة تاريخية نُشر في مارس الماضي في الطبيعة، ومع ذلك ، بدأت في تغيير ذلك. لأبحاث الدكتوراه في جامعة ميشيغان ، كريستينا هارفي وجدت وزملاؤها أن معظم الطيور يمكنها أن تغير أجنحتها في منتصف الرحلة لتقلب ذهابًا وإيابًا بين الطيران بسلاسة مثل طائرة الركاب والطيران بهلوانية مثل طائرة مقاتلة. يوضح عملهم أن الطيور يمكنها تغيير الخصائص الديناميكية الهوائية تمامًا التي تحكم كيفية تحرك الهواء فوق أجنحتها وخصائص القصور الذاتي لأجسامها التي تحدد كيفية تعثرها في الهواء لإكمال مناورات سريعة.
حددت هذه الاكتشافات عوامل كبيرة لم تكن معروفة من قبل تساهم في البراعة الجوية للطيور وكشفت عن بعض الضغوط التطورية التي جعلت الطيور بارعة جدًا في الطيران. كما أنهم يساعدون في إعادة صياغة المخططات التي قد يتبعها المهندسون المستقبليون عند محاولة تصميم الطائرات بحيث تكون قادرة على المناورة والتكيف كما يمكن للطيور ، على ما يبدو بنعمة سهلة ولكن بالاعتماد على الموارد الجسدية والعقلية الهائلة التي بدأنا للتو في تقديرها.
تصف هارفي ، التي درست الهندسة الميكانيكية عندما كانت طالبة جامعية ، دراساتها عن رحلة الطيور بأنها "تحديد كمية لشيء يشبه السحر بالنسبة لي". في وقت مبكر من حياتها المهنية ، قبل الانتقال من الهندسة إلى علم الأحياء ، لم تعتقد أبدًا أنها ستحاول تمييز أسرار الطيور.
هندسة الطيور
قال هارفي: "لم أكن معتادًا على حب الطيور". لكن ذات يوم من عام 2016 ، جلست على حافة صخرية في حديقة بالقرب من جامعة كولومبيا البريطانية ، تستريح بعد نزهة قصيرة وتفكر في المشروع الذي يجب متابعته كطالبة ماجستير تم تعيينها حديثًا في مختبر الأحياء. فكرت وهي محاطة بالنوارس: "إنها تطير بشكل رائع حقًا ، إذا تجاهلت مدى إزعاجها."
سرعان ما أصبحت النورس ما تسميه طائرها "الشرارة" ، وسرعان ما تخلت عن تجنبها لصالح محاولة فهم المزيد عن قوتها في الطيران. ولكن عندما تعمقت هارفي في الأدبيات ، أدركت أن هناك فجوات كبيرة في معرفتنا بكيفية طيران الطيور.
كانت مستوحاة بعمق من دراسة 2001 شارك تيلور في تأليفه أثناء سعيه للحصول على الدكتوراه في جامعة أكسفورد. كانت ورقة تايلور أول من وضع أساسًا نظريًا لكيفية تحقيق الطيور والحيوانات الطائرة الأخرى الاستقرار ، وهي السمة التي تمنعهم من الدفع في الاتجاه الخاطئ.
وأوضح تايلور أن الاستقرار يأتي من مزيج من الاستقرار المتأصل ، أو المقاومة الفطرية للاضطرابات ، والتحكم ، والقدرة النشطة على تغيير الاستجابات للاضطرابات. الاستقرار المتأصل هو ما تتمتع به الطائرة الورقية الجيدة ؛ التحكم هو موطن قوة طائرة مقاتلة من الجيل الخامس. أظهر بحث عام 2001 أن الاستقرار المتأصل لعب دورًا أكبر في تحليق الطيور مما كان يُعتقد عمومًا.
بعد فترة وجيزة من قراءة ورقة تايلور ، ركزت هارفي عملها على الدكتوراه على تطوير المعادلات الديناميكية الأولى للاستقرار في رحلة الطيور. قالت: "لدينا كل هذه المعادلات للطائرات". "كنت أريدهم لرحلة الطيور."
لفهم استقرار وعدم استقرار رحلة الطيور والتحديات التي تواجهها الطيور في السيطرة عليها ، أدركت هارفي أنها وفريقها بحاجة إلى رسم جميع خصائص القصور الذاتي للطيور ، وهو أمر تجاهله الدراسات السابقة إلى حد كبير أو تعامل معه على أنه غير مهم. تتعلق خصائص القصور الذاتي بكتلة الطائر وكيفية توزيعها ، على عكس الخصائص الديناميكية الهوائية التي تعمل على طائر متحرك.
جمعت هارفي وفريقها 36 جثة طيور مجمدة - تمثل 22 نوعًا مختلفًا جدًا - من متحف بيتي للتنوع البيولوجي في جامعة كولومبيا البريطانية في فانكوفر ، كندا. قاموا بتشريح الجثث وصولًا إلى كل ريشة على حدة ، وأخذوا قياسات الطول والوزن وجناحيها ، وقاموا يدويًا بمد الأجنحة وقلصها لمعرفة مدى حركة مرفقي الطيور والمعصمين.
لقد كتبوا برنامجًا جديدًا للنمذجة يمثل أنواعًا مختلفة من الأجنحة والعظام والعضلات والجلد والريش كمجموعات من مئات الأشكال الهندسية. سمح لهم البرنامج بحساب الخصائص ذات الصلة مثل مركز الجاذبية و "النقطة المحايدة" التي تمثل المركز الديناميكي الهوائي للطائر أثناء الطيران. ثم حددوا تلك الخصائص لكل طائر بأجنحة مكونة من مجموعة متنوعة من الأشكال.
لتقدير استقرار كل طائر وقدرته على المناورة ، قاموا بحساب عامل ديناميكي هوائي يسمى الهامش الثابت ، والمسافة بين مركز جاذبيته ونقطته المحايدة بالنسبة لأبعاد الجناح. إذا كانت النقطة المحايدة للطائر خلف مركز جاذبيته ، فإنهم يعتبرون الطائر مستقرًا بطبيعته ، مما يعني أن الطائر الطائر سيعود بشكل طبيعي إلى مسار طيرانه الأصلي إذا تم دفعه عن التوازن. إذا كانت النقطة المحايدة أمام مركز الثقل ، فهذا يعني أن الطائر كان غير مستقر وسيتم دفعه بعيدًا عن الموضع الذي كان فيه - وهو بالضبط ما يجب أن يحدث للطائر حتى يتمكن من القيام بمناورة تخطف الأنفاس.
عندما يصمم مهندسو الطيران الطائرات ، فإنهم يقومون بتعيين هوامش ثابتة لتحقيق الأداء المطلوب. لكن الطيور ، على عكس الطائرات ، يمكنها تحريك أجنحتها وتغيير أوضاع أجسامها ، وبالتالي تغيير هوامشها الثابتة. لذلك قامت هارفي وفريقها أيضًا بتقييم كيفية تغير الاستقرار المتأصل لكل طائر في تكوينات الجناح المختلفة.
في الواقع ، اتخذت هارفي وزملاؤها إطارًا "مشابهًا جدًا لما نفعله للطائرات" وقاموا بتكييفه مع الطيور ، كما قالت ايمي ويصا، وهو أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران بجامعة برينستون كتب تعليقًا على عملهم الطبيعة.
رحلة مرنة
عندما أطلقت الديناصورات المعالجة بالريش نفسها في الهواء منذ ما يقرب من 160 مليون سنة ، كانت تطيرًا محدودًا ، ترفرف فقط على مسافات قصيرة أو في رشقات نارية صغيرة. ولكن مع استثناءات قليلة فقط ، تطورت أكثر من 10,000 نوع من الطيور المنحدرة من تلك الديناصورات إلى آلات طيران غير عادية ، قادرة على الانزلاق الرشيق والمناورات البهلوانية. يتطلب هذا النوع من القدرة على المناورة الاستفادة من عدم الاستقرار المتحكم فيه - ثم الانسحاب منه.
نظرًا لأن الطيور الحديثة شديدة القدرة على المناورة ، افترض علماء الأحياء أنها تطورت لتصبح أكثر فأكثر غير مستقرة. قال هارفي: "كان يعتقد أن الطيور ، مثل الطائرات المقاتلة ، تميل نوعًا ما إلى عدم الاستقرار هذه لأداء هذه المناورات السريعة حقًا". "ولهذا السبب تطير الطيور بهذه الطريقة التي لا يمكننا تكرارها بعد."
لكن الباحثين وجدوا أن نوعًا واحدًا فقط من الأنواع التي نظروا إليها ، وهو الدراج ، كان غير مستقر تمامًا. كانت أربعة أنواع مستقرة تمامًا ، ويمكن لـ 17 نوعًا - بما في ذلك الطيور السريعة والحمام - التبديل بين الطيران المستقر وغير المستقر عن طريق تحويل أجنحتها. قال هارفي: "حقًا ، ما نراه هو أن هذه الطيور قادرة على التحول بين هذا النوع من الطائرات المقاتلة والأسلوب الشبيه بنفث الركاب".
اقترحت النمذجة الرياضية الإضافية من قبل فريقها أنه بدلاً من تعزيز عدم استقرار الطيور ، كان التطور يحافظ على إمكاناتها في كل من الاستقرار وعدم الاستقرار. وجد فريق هارفي في جميع الطيور التي خضعت للدراسة دليلًا على أن ضغوط الانتقاء تحافظ في نفس الوقت على هوامش ثابتة تتيح لكليهما. نتيجة لذلك ، تتمتع الطيور بالقدرة على التحول من الوضع المستقر إلى الوضع غير المستقر والعودة ، وتغيير خصائص طيرانها حسب الحاجة.
لا تستطيع الطائرات الحديثة فعل ذلك ، ليس فقط لأن خصائصها الديناميكية الهوائية والقصور الذاتي أكثر ثباتًا ولكن لأنها ستحتاج إلى خوارزميتين مختلفتين تمامًا للتحكم. تعني الرحلة غير المستقرة إجراء تصحيحات باستمرار لتجنب الاصطدام. يجب على الطيور أن تفعل شيئًا مشابهًا و "يجب أن يكون هناك مستوى معين من الإدراك متضمنًا في ذلك" ، قال ريد بومان، عالم البيئة السلوكي ومدير برنامج بيئة الطيور في محطة Archbold البيولوجية في فلوريدا.
قال: "كان الناس يحاولون فهم أصل الطيور طالما كان الناس يدرسون التطور - والعقبة الرئيسية كانت تعقيد الرحلة وعدم قدرتنا على تفكيكها" ماثيو كارانو، أمين الديناصورات في قسم علم الأحياء القديمة في معهد سميثسونيان.
أكثر ما يفاجئه هو أن الطيور لديها هذه القدرات على التحول بين أنماط الطيران المستقرة وغير المستقرة ؛ هو أن بعض الأنواع ، مثل الدراج ، على ما يبدو لا تفعل ذلك. إنه يتساءل ما إذا كانت هذه الأنواع لم تتطور أبدًا أو إذا فقدت قدرتها في مرحلة ما ، تمامًا كما انحدرت الطيور الحديثة التي لا تطير من تلك التي كان يمكن أن تطير في يوم من الأيام.
بناء طائرات أفضل
العديد من المناورات الشقلبة والدوران والانهيار التي أتقنتها الطيور ليست مناورات يرغب أي شخص في تجربتها في طائرة ركاب. لكن المركبات الجوية غير المأهولة ، والمعروفة أيضًا باسم الطائرات بدون طيار أو الطائرات بدون طيار ، تتمتع بحرية أكبر في القيام بمناورات عنيفة ، كما أن شعبيتها المتزايدة للاستخدامات العسكرية والعلمية والترفيهية وغيرها من الاستخدامات تخلق المزيد من الفرص لها للقيام بذلك.
قال بهاتاشاريا ، الذي فور رؤية دراسة هارفي ، أرسلها على الفور إلى مجموعته الهندسية: "هذه خطوة رائعة نحو إنتاج المزيد من الطائرات بدون طيار التي يمكن المناورة بها". معظم الطائرات بدون طيار اليوم هي طائرات ثابتة الجناحين ، وهي رائعة لمهام المراقبة والأغراض الزراعية لأنها يمكن أن تطير بكفاءة لساعات وتقطع آلاف الكيلومترات. ومع ذلك ، فإنهم يفتقرون إلى القدرة على المناورة من الطائرات بدون طيار الهشة التي تحظى بشعبية بين الهواة. الباحثون في إيرباص و وكالة ناسا يبتكرون تصميمات جديدة للطائرات المجنحة التي يمكن أن تحاكي بعض المواهب المذهلة للطيور في المناورة.
يأمل تايلور وفريقه في تحليل كيفية اكتساب الطيور القدرة على أداء المهام المعقدة أثناء تعلم الطيران. إذا تمكن الباحثون من فهم هذه المناورات حقًا ، فقد يقوم المهندسون يومًا ما بإدراج الذكاء الاصطناعي في تصميم النشرات الجديدة ، مما يمكنهم من محاكاة علم الأحياء ليس فقط في المظهر ، ولكن في قدرتهم على تعلم سلوكيات الطيران.
بينما تنشئ مختبرها الجديد في جامعة كاليفورنيا ، ديفيس ، لا تزال هارفي تقرر أين ستكمن أبحاثها المستقبلية في الطيف من البحث الأساسي في رحلة الطيور إلى تصميم وتصنيع الطائرات بدون طيار والطائرات. لكن أولاً ، تعمل على بناء فريق من طلاب الهندسة وعلم الأحياء الذين لديهم نفس الشغف بالعمل في مجالين مختلفين تمامًا مثلها.
قال هارفي: "لا أعتقد أنني كنت أزدهر بالكامل في مجال الهندسة". عندما بدأت العمل على حافة علم الأحياء ، شعرت أنها يمكن أن تكون أكثر إبداعًا. الآن ، مما أثار استياء العديد من زملائها المهندسين ، أنها تقضي ساعات طويلة في العمل على إتقان أشكال الطيور. قالت: "أقضي نصف وقتي في الرسم". "لقد غيرت وجهة نظري حقًا."
