I et rektangulært rum draperet i camouflage-net fløj fire Harris-høge på skift frem og tilbage mellem græsklædte siddepinde, mens videnskabsmænd registrerede hver deres biomekaniske flagren. Forskerne deltog i den hævdvundne stræben efter at se fugle flyve - selvom deres virkelige interesse i dette eksperiment var i at se dem lande.
I mere end 1,500 flyvninger mellem siddepladserne tog de fire høge næsten altid den samme vej - ikke den hurtigste eller mest energieffektive, men den, der tillod dem at sidde mest sikkert og med mest kontrol. Som Graham Taylor, professor i matematisk biologi ved University of Oxford, og hans kolleger beskrevet for nylig in Natur, fløj høgene i en U-formet bue, slog hurtigt med vingerne for at accelerere ind i et dyk, og svævede derefter skarpt opad i et glid og strakte vingerne ud for at bremse deres fremskridt, før de griber fat i aborren.
"At se dem er fascinerende fremmed," sagde Lydia Frankrig, en forskningsdataforsker ved Alan Turing Institute og en postdoc-forsker ved University of Oxford, der designede og hjalp med at køre eksperimenterne. Høgenes evne til at lande ved næsten at stoppe i luften er uovertruffen af deres mekaniske modstykker.
"Evolution har skabt en langt mere kompliceret flyvende enhed, end vi nogensinde har været i stand til at konstruere," sagde Samik Bhattacharya, en assisterende professor i det eksperimentelle væskemekaniske laboratorium ved University of Central Florida. Årsagerne til, at nutidens fly ikke kan matche fuglenes manøvredygtighed, er ikke blot et spørgsmål om teknik. Selvom fugle er blevet omhyggeligt observeret gennem historien og har inspireret design til flyvende maskiner af Leonardo da Vinci og andre gennem århundreder, har den biomekanik, der gør fuglenes manøvredygtighed mulig, stort set været et mysterium.
A landmark studie udgivet i marts sidste år Naturer dog begyndt at ændre på det. For hendes doktorgradsforskning ved University of Michigan, Christina Harvey og hendes kolleger fandt ud af, at de fleste fugle kan forvandle deres vinger midt under flyvningen for at vende frem og tilbage mellem at flyve jævnt som et passagerfly og at flyve akrobatisk som et jagerfly. Deres arbejde gør det klart, at fugle fuldstændigt kan ændre både de aerodynamiske egenskaber, der styrer, hvordan luft bevæger sig over deres vinger, og inertiegenskaberne i deres kroppe, der bestemmer, hvordan de tumler gennem luften for at fuldføre hurtige manøvrer.
Disse opdagelser identificerede store, hidtil ukendte faktorer, der bidrager til fugles aerobatiske dygtighed og afslørede nogle af de evolutionære pres, der gjorde fugle så dygtige til at flyve. De hjælper også med at omformulere de tegninger, som fremtidige ingeniører kan følge, når de forsøger at designe fly så manøvredygtige og tilpasningsdygtige, som fugle formår at være, tilsyneladende med ubesværet ynde, men trækker på formidabelt hurtige fysiske og mentale ressourcer, vi lige er begyndt at sætte pris på.
Harvey, der studerede maskinteknik som bachelor, beskriver sine studier af fugleflyvning som "at kvantificere noget, der for mig ligner magi." Tidligt i sin karriere, før hun foretog en overgang fra teknik til biologi, troede hun aldrig, at hun ville være den, der forsøgte at gennemskue fuglenes hemmeligheder.
Fuglenes geometri
"Jeg plejede ikke engang at kunne lide fugle," sagde Harvey. Alligevel sad hun en dag i 2016 på en klippeafsats i en park nær University of British Columbia og hvilede sig efter en kort vandretur og tænkte på, hvilket projekt hun skulle forfølge som nyudnævnt kandidatstuderende i et biologilaboratorium. Omgivet af måger tænkte hun: "De flyver rigtig sejt, hvis du ignorerer, hvor irriterende de er."
Mågen blev hurtigt det, hun kalder sin "gnist"-fugl, og hun opgav hurtigt at undgå dem til fordel for at prøve at forstå mere om deres flyveevne. Men da Harvey gravede dybere ned i litteraturen, indså hun, at der var store huller i vores viden om, hvordan fugle flyver.
Hun var dybt inspireret af en 2001 undersøgelse som Taylor havde været medforfatter på, mens han forfulgte sin doktorgrad i Oxford. Taylors papir var det første, der lagde et teoretisk grundlag for, hvordan fugle og andre flyvende dyr opnår stabilitet, den egenskab, der forhindrer dem i at blive skubbet i den forkerte retning.
Stabilitet, forklarede Taylor, kommer fra en kombination af iboende stabilitet eller medfødt modstand mod forstyrrelser og kontrol, en aktiv evne til at ændre reaktioner på forstyrrelser. Iboende stabilitet er, hvad et godt papirfly har; kontrol er et femte-generations jagerflys styrke. Forskningen fra 2001 viste, at iboende stabilitet spillede en større rolle i fuglenes flugt, end man generelt troede.
Kort efter at have læst Taylors papir fokuserede Harvey sit doktorgradsarbejde på at udvikle de første dynamiske ligninger for stabilitet i fugleflyvning. "Vi har alle disse ligninger for fly," sagde hun. "Jeg ville have dem til fugleflyvning."
For at forstå stabiliteten og ustabiliteten af fugleflyvning og de udfordringer, som fugle står over for med at kontrollere dem, indså Harvey, at hun og hendes team havde brug for at kortlægge alle fugles inertiegenskaber, noget som tidligere undersøgelser stort set ignorerede eller behandlede som uvæsentligt. Træghedsegenskaberne relaterer sig til en fugls masse, og hvordan den er fordelt, i modsætning til de aerodynamiske egenskaber, der virker på en fugl i bevægelse.
Harvey og hendes team samlede 36 frosne fuglekadavere - repræsenterende 22 meget forskellige arter - fra Beaty Biodiversity Museum ved University of British Columbia i Vancouver, Canada. De dissekerede kadaverne ned til hver enkelt fjer, målte længde, vægt og vingefang og manuelt forlængede og kontraherede vingerne for at finde ud af bevægelsesområdet for fuglenes albuer og håndled.
De skrev et nyt modelleringsprogram, der repræsenterede forskellige typer vinger, knogler, muskler, hud og fjer som kombinationer af hundredvis af geometriske former. Softwaren gav dem mulighed for at beregne relevante egenskaber såsom tyngdepunktet og det "neutrale punkt", der er fuglens aerodynamiske centrum under flyvning. De bestemte derefter disse egenskaber for hver fugl med sine vinger konfigureret i en række forskellige former.
For at kvantificere hver fugls stabilitet og manøvredygtighed, beregnede de en aerodynamisk faktor kaldet den statiske margin, afstanden mellem dens tyngdepunkt og dens neutrale punkt i forhold til dimensionerne af vingen. Hvis en fugls neutrale punkt var bag dens tyngdepunkt, anså de fuglen for at være iboende stabil, hvilket betyder, at den flyvende fugl naturligt ville vende tilbage til sin oprindelige flyvevej, hvis den blev skubbet ud af balance. Hvis det neutrale punkt var foran tyngdepunktet, så var fuglen ustabil og ville blive skubbet længere fra den position, den var i - hvilket er præcis, hvad der skal ske, for at en fugl kan udføre en betagende manøvre.
Når luftfartsingeniører designer fly, sætter de de statiske marginer for at opnå den ønskede ydeevne. Men fugle kan, i modsætning til flyvemaskiner, bevæge deres vinger og ændre deres kropsstillinger og derved ændre deres statiske marginer. Harvey og hendes team evaluerede derfor også, hvordan hver enkelt fugls iboende stabilitet ændrede sig i forskellige vingekonfigurationer.
Faktisk tog Harvey og hendes kolleger en ramme, der er "meget lig, hvad vi gør for fly" og tilpassede den til fugle, sagde Aimy Wissa, en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved Princeton University, som skrev en kommentar til deres arbejde for Natur.
Fleksibel flyvning
Da fjeragtige terapeutiske dinosaurer lancerede sig selv i luften for omkring 160 millioner år siden, var de begrænsede flyvere, der kun flagrede over korte afstande eller i små udbrud. Men med kun få undtagelser har de mere end 10,000 fuglearter, der stammer fra disse dinosaurer, udviklet sig til ekstraordinære flyvemaskiner, der er i stand til yndefulde svæveflyvninger og akrobatiske manøvrer. Den slags manøvredygtighed kræver, at man drager kontrolleret fordel af ustabilitet - og derefter trækker sig ud af den.
Fordi moderne fugle er så manøvredygtige, antog biologer, at de havde udviklet sig til at være mere og mere ustabile. "Man troede, at fugle, ligesom jagerfly, bare læner sig ind i disse ustabiliteter for at udføre disse virkelig hurtige manøvrer," sagde Harvey. "Og det er derfor, fugle flyver på denne måde, som vi ikke helt kan kopiere endnu."
Men forskerne fandt ud af, at kun én af de arter, de så på, fasanen, var fuldstændig ustabil. Fire arter var fuldstændig stabile, og 17 arter - inklusive swifts og duer - kunne skifte mellem stabil og ustabil flyvning ved at ændre deres vinger. "Virkelig, det, vi ser, er, at disse fugle er i stand til at skifte mellem den slags mere kampfly-lignende stil og en mere passager-jet-lignende stil," sagde Harvey.
Yderligere matematisk modellering fra hendes hold antydede, at i stedet for at øge fuglenes ustabilitet, har evolutionen bevaret deres potentiale for både stabilitet og ustabilitet. Hos alle de undersøgte fugle fandt Harveys hold beviser på, at selektionstrykket samtidig opretholdt statiske marginer, der muliggjorde begge dele. Som et resultat har fugle evnen til at skifte fra en stabil tilstand til en ustabil tilstand og tilbage og ændre deres flyveegenskaber efter behov.
Moderne fly kan ikke gøre det, ikke kun fordi deres aerodynamiske og inertifunktioner er mere faste, men fordi de ville have brug for to meget forskellige kontrolalgoritmer. Ustabil flyvning betyder konstant at foretage rettelser for at undgå at styrte. Fugle skal være nødt til at gøre noget lignende, og "der skal være en vis grad af erkendelse involveret i det," sagde Reed Bowman, en adfærdsøkolog og direktør for fugleøkologiprogrammet på Archbold Biological Station i Florida.
"Folk har forsøgt at forstå oprindelsen af fugle, så længe folk har studeret evolution - og en stor hindring har været kompleksiteten af flyvningen og vores manglende evne til at dekonstruere den," sagde Matthew Carrano, kurator for Dinosauria i Smithsonian Institution's afdeling for palæobiologi.
Det, der overrasker ham mest, er ikke, at fugle har disse evner til at skifte mellem stabile og ustabile flyvemåder; det er, at nogle arter, som fasanen, tilsyneladende ikke gør det. Han spekulerer på, om disse arter aldrig har udviklet det, eller om de mistede evnen på et tidspunkt, ligesom moderne flyveløse fugle nedstammer fra dem, der engang kunne flyve.
Byg bedre fly
Mange af de saltomortaler, snurrende og styrtdykkede manøvrer, som fugle har mestret, er ikke dem, nogen ønsker at opleve i et passagerfly. Men ubemandede luftfartøjer, også kendt som UAV'er eller droner, er friere til at foretage drastiske manøvrer, og deres stigende popularitet til militære, videnskabelige, rekreative og andre formål skaber flere muligheder for dem for at gøre det.
"Dette er et stort skridt i retning af at generere mere manøvredygtige UAV'er," sagde Bhattacharya, som, da han så Harveys undersøgelse, straks sendte den til sin ingeniørgruppe. De fleste UAV'er i dag er fly med faste vinger, som er gode til overvågningsmissioner og landbrugsformål, fordi de kan flyve effektivt i timevis og tilbagelægge tusindvis af kilometer. Men de mangler manøvredygtigheden af de skrøbelige quadcopter-droner, der er populære blandt hobbyfolk. Forskere ved Airbus , NASA drømmer om nye designs til vingede fly, der kunne efterligne nogle af fuglenes utrolige manøvreringstalenter.
Taylor og hans team håber på at analysere, hvordan fugle opnår evnen til at udføre komplekse opgaver, mens de lærer at flyve. Hvis forskere virkelig kan forstå disse manøvrer, vil ingeniører måske en dag inkludere AI i designet af nye flyers, hvilket gør dem i stand til at efterligne biologi ikke kun i udseende, men i deres evne til at lære flyveadfærd.
Da hun opretter sit nye laboratorium ved University of California, Davis, beslutter Harvey stadig, hvor hendes fremtidige forskning vil ligge på spektret fra grundforskning i fugleflyvning til design og fremstilling af droner og fly. Men først arbejder hun på at opbygge et hold af ingeniør- og biologistuderende, der brænder lige så meget for at arbejde på grænsen mellem to vidt forskellige felter, som hun er.
"Jeg tror ikke, jeg blomstrede helt inden for teknik," sagde Harvey. Da hun begyndte at arbejde på kanten af biologi, følte hun, at hun kunne være mere kreativ. Nu, til mange af hendes ingeniørkolleger, bruger hun mange timer på at perfektionere fuglefigurer. "Jeg bruger halvdelen af min tid på at tegne," sagde hun. "Det har virkelig ændret mit perspektiv."
