In einem rechteckigen Raum, der mit einem Tarnnetz verhüllt war, flogen vier Falken abwechselnd zwischen grasbewachsenen Sitzstangen hin und her, während Wissenschaftler jedes ihrer biomechanischen Flattern aufzeichneten. Die Forscher nahmen an dem altehrwürdigen Bestreben teil, Vögel beim Fliegen zu beobachten – obwohl ihr eigentliches Interesse bei diesem Experiment darin bestand, ihnen beim Landen zuzusehen.
Bei mehr als 1,500 Flügen zwischen den Sitzstangen nahmen die vier Falken fast immer den gleichen Weg – nicht den schnellsten oder energieeffizientesten, aber den, der es ihnen ermöglichte, am sichersten und mit der größten Kontrolle zu sitzen. Wie Graham Taylor, Professor für mathematische Biologie an der Universität Oxford, und seine Kollegen kürzlich beschrieben in Natur, flogen die Falken in einem U-förmigen Bogen, schlugen schnell mit den Flügeln, um in einen Sturzflug zu beschleunigen, dann schnell in einem Gleitflug nach oben und streckten ihre Flügel aus, um ihren Fortschritt zu verlangsamen, bevor sie sich an der Stange festhielten.
„Sie zu beobachten ist faszinierend fremdartig“, sagte er Lydia Frankreich, ein Forschungsdatenwissenschaftler am Alan Turing Institute und ein Postdoktorand an der Universität Oxford, der die Experimente konzipierte und bei der Durchführung half. Die Fähigkeit von Falken zu landen, indem sie fast mitten in der Luft anhalten, wird von ihren mechanischen Gegenstücken nicht erreicht.
„Die Evolution hat ein weitaus komplizierteres Fluggerät geschaffen, als wir jemals konstruieren konnten“, sagte er Samik Bhattacharya, Assistenzprofessor im Labor für experimentelle Strömungsmechanik an der University of Central Florida. Die Gründe, warum heutige Flugzeuge nicht mit der Manövrierfähigkeit von Vögeln mithalten können, sind nicht nur eine Frage der Technik. Obwohl Vögel im Laufe der Geschichte akribisch beobachtet wurden und Leonardo da Vinci und andere im Laufe der Jahrhunderte Entwürfe für Flugmaschinen inspirierten, war die Biomechanik, die die Manövrierfähigkeit von Vögeln ermöglicht, weitgehend ein Rätsel.
A bahnbrechende Studie erschienen letzten März in Natur, hat jedoch begonnen, dies zu ändern. Für ihre Doktorarbeit an der University of Michigan, Christina Harvey und ihre Kollegen fanden heraus, dass die meisten Vögel ihre Flügel während des Fluges verändern können, um zwischen dem sanften Fliegen wie ein Passagierflugzeug und dem akrobatischen Fliegen wie ein Kampfjet hin und her zu schlagen. Ihre Arbeit macht deutlich, dass Vögel sowohl die aerodynamischen Eigenschaften, die bestimmen, wie sich Luft über ihre Flügel bewegt, als auch die Trägheitseigenschaften ihres Körpers, die bestimmen, wie sie durch die Luft stürzen, um schnelle Manöver zu vollenden, vollständig verändern können.
Diese Entdeckungen identifizierten große, bisher unbekannte Faktoren, die zur Kunstflugleistung der Vögel beitragen, und enthüllten einige der evolutionären Zwänge, die Vögel so gut fliegen ließen. Sie helfen auch dabei, die Blaupausen neu zu entwerfen, denen zukünftige Ingenieure folgen könnten, wenn sie versuchen, Flugzeuge zu konstruieren, die so wendig und anpassungsfähig sind, wie es Vögel können, scheinbar mit müheloser Anmut, aber unter Nutzung beeindruckend schneller körperlicher und geistiger Ressourcen, die wir gerade erst zu schätzen beginnen.
Harvey, die im Grundstudium Maschinenbau studierte, beschreibt ihr Studium des Vogelflugs als „Quantifizierung von etwas, das für mich wie Magie aussieht“. Zu Beginn ihrer Karriere, bevor sie vom Ingenieurwesen zur Biologie wechselte, hätte sie nie gedacht, dass sie diejenige sein würde, die versucht, die Geheimnisse der Vögel zu entschlüsseln.
Die Geometrie der Vögel
„Früher mochte ich Vögel nicht einmal“, sagte Harvey. Doch eines Tages im Jahr 2016 saß sie auf einem Felsvorsprung in einem Park in der Nähe der University of British Columbia, ruhte sich nach einer kurzen Wanderung aus und überlegte, welches Projekt sie als neu ernannte Masterstudentin in einem Biologielabor verfolgen sollte. Umringt von Möwen dachte sie: „Die fliegen echt cool, wenn man ignoriert, wie lästig sie sind.“
Die Möwe wurde schnell zu dem, was sie ihren „Funken“-Vogel nennt, und sie gab es bald auf, sie zu meiden, um stattdessen zu versuchen, mehr über ihre Flugkraft zu verstehen. Aber als Harvey tiefer in die Literatur eintauchte, erkannte sie, dass es große Lücken in unserem Wissen darüber gab, wie Vögel fliegen.
Sie war tief inspiriert von a 2001 Studie das Taylor während seiner Promotion in Oxford mitverfasst hatte. Taylors Arbeit war die erste, die eine theoretische Grundlage dafür legte, wie Vögel und andere fliegende Tiere Stabilität erreichen, die Eigenschaft, die sie davon abhält, in die falsche Richtung gedrängt zu werden.
Stabilität, erklärte Taylor, kommt von einer Kombination aus inhärenter Stabilität oder angeborenem Widerstand gegen Störungen und Kontrolle, einer aktiven Fähigkeit, Reaktionen auf Störungen zu verändern. Inhärente Stabilität ist das, was ein guter Papierflieger hat; Kontrolle ist die Stärke eines Kampfflugzeugs der fünften Generation. Die Forschung aus dem Jahr 2001 zeigte, dass die inhärente Stabilität beim Vogelflug eine größere Rolle spielte als allgemein angenommen.
Kurz nachdem sie Taylors Artikel gelesen hatte, konzentrierte Harvey ihre Doktorarbeit auf die Entwicklung der ersten dynamischen Stabilitätsgleichungen im Vogelflug. „Wir haben all diese Gleichungen für Flugzeuge“, sagte sie. „Ich wollte sie für den Vogelflug.“
Um die Stabilität und Instabilität des Vogelflugs und die Herausforderungen zu verstehen, denen Vögel bei ihrer Kontrolle gegenüberstehen, erkannte Harvey, mussten sie und ihr Team alle Trägheitseigenschaften von Vögeln kartieren, was frühere Studien weitgehend ignoriert oder als unwichtig behandelt hatten. Die Trägheitseigenschaften beziehen sich auf die Masse eines Vogels und wie sie verteilt ist, im Gegensatz zu den aerodynamischen Eigenschaften, die auf einen sich bewegenden Vogel wirken.
Harvey und ihr Team sammelten 36 gefrorene Vogelkadaver – die 22 sehr unterschiedliche Arten repräsentieren – aus dem Beaty Biodiversity Museum an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada. Sie sezierten die Kadaver bis auf jede einzelne Feder, nahmen Längen-, Gewichts- und Spannweitenmessungen vor und verlängerten und kontrahierten die Flügel manuell, um den Bewegungsbereich der Ellbogen und Handgelenke der Vögel herauszufinden.
Sie schrieben ein neuartiges Modellierungsprogramm, das verschiedene Arten von Flügeln, Knochen, Muskeln, Haut und Federn als Kombinationen aus Hunderten von geometrischen Formen darstellte. Mit der Software konnten sie relevante Eigenschaften wie den Schwerpunkt und den „Neutralpunkt“, also das aerodynamische Zentrum des fliegenden Vogels, berechnen. Dann bestimmten sie diese Eigenschaften für jeden Vogel mit seinen Flügeln, die in einer Vielzahl von Formen konfiguriert waren.
Um die Stabilität und Manövrierfähigkeit jedes Vogels zu quantifizieren, berechneten sie einen aerodynamischen Faktor, der als statischer Spielraum bezeichnet wird, der Abstand zwischen seinem Schwerpunkt und seinem neutralen Punkt im Verhältnis zu den Abmessungen des Flügels. Wenn der neutrale Punkt eines Vogels hinter seinem Schwerpunkt lag, betrachteten sie den Vogel als inhärent stabil, was bedeutet, dass der fliegende Vogel auf natürliche Weise auf seine ursprüngliche Flugbahn zurückkehren würde, wenn er aus dem Gleichgewicht gebracht würde. Wenn der neutrale Punkt vor dem Schwerpunkt lag, war der Vogel instabil und würde weiter aus seiner Position herausgedrückt – genau das muss passieren, damit ein Vogel ein atemberaubendes Manöver ausführen kann.
Wenn Luftfahrtingenieure Flugzeuge konstruieren, legen sie die statischen Spielräume fest, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Aber Vögel können im Gegensatz zu Flugzeugen ihre Flügel bewegen und ihre Körperhaltung verändern, wodurch sie ihre statischen Spielräume verändern. Harvey und ihr Team bewerteten daher auch, wie sich die inhärente Stabilität jedes Vogels in verschiedenen Flügelkonfigurationen veränderte.
Tatsächlich nahmen Harvey und ihre Kollegen einen Rahmen, der „sehr ähnlich dem ist, was wir für Flugzeuge tun“, und passten ihn an Vögel an, sagten sie Aimy Wissa, ein Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University, der einen Kommentar zu ihrer Arbeit für geschrieben hat Natur.
Flexibler Flug
Als sich vor etwa 160 Millionen Jahren gefiederte Therapod-Dinosaurier in die Luft schossen, waren sie begrenzte Flieger, die nur über kurze Entfernungen oder in winzigen Stößen flatterten. Aber mit wenigen Ausnahmen haben sich die mehr als 10,000 Vogelarten, die von diesen Dinosauriern abstammen, zu außergewöhnlichen Flugmaschinen entwickelt, die zu anmutigen Gleitflügen und akrobatischen Manövern fähig sind. Diese Art von Manövrierfähigkeit erfordert, die Instabilität kontrolliert auszunutzen – und sich dann aus ihr herauszuziehen.
Weil moderne Vögel so manövrierfähig sind, gingen Biologen davon aus, dass sie sich in der Evolution immer instabiler entwickelt hatten. „Man glaubte, dass sich Vögel wie Kampfjets einfach in diese Instabilitäten lehnen, um diese wirklich schnellen Manöver durchzuführen“, sagte Harvey. „Und deshalb fliegen Vögel auf diese Weise, die wir noch nicht ganz nachbilden können.“
Aber die Forscher fanden heraus, dass nur eine der untersuchten Arten, der Fasan, völlig instabil war. Vier Arten waren völlig stabil und 17 Arten – darunter Mauersegler und Tauben – konnten durch Verformen ihrer Flügel zwischen stabilem und instabilem Flug wechseln. „Was wir wirklich sehen, ist, dass diese Vögel in der Lage sind, zwischen diesem eher kampfjetähnlichen Stil und einem eher passagierjetähnlichen Stil zu wechseln“, sagte Harvey.
Weitere mathematische Modelle ihres Teams legen nahe, dass die Evolution nicht die Instabilität der Vögel erhöht, sondern ihr Potenzial für Stabilität und Instabilität bewahrt hat. Bei allen untersuchten Vögeln fand Harveys Team Beweise dafür, dass der Selektionsdruck gleichzeitig statische Spielräume aufrechterhielt, die beides ermöglichten. Dadurch haben Vögel die Möglichkeit, von einem stabilen in einen instabilen Modus und zurück zu wechseln und ihre Flugeigenschaften nach Bedarf zu ändern.
Moderne Flugzeuge können das nicht, nicht nur, weil ihre aerodynamischen und Trägheitseigenschaften fester sind, sondern weil sie zwei sehr unterschiedliche Steueralgorithmen benötigen würden. Instabiler Flug bedeutet, ständig Korrekturen vorzunehmen, um einen Absturz zu vermeiden. Vögel müssen etwas Ähnliches tun, und „dabei muss ein gewisses Maß an Kognition beteiligt sein“, sagte er Schilf Bowman, Verhaltensökologe und Direktor des Vogelökologieprogramms an der Archbold Biological Station in Florida.
„Die Menschen haben versucht, den Ursprung der Vögel zu verstehen, seit die Menschen die Evolution studiert haben – und ein großes Hindernis war die Komplexität des Fluges und unsere Unfähigkeit, ihn zu dekonstruieren“, sagte er Matthäus Carrano, Kurator für Dinosauria in der Abteilung für Paläobiologie der Smithsonian Institution.
Was ihn am meisten überrascht, ist nicht, dass Vögel diese Fähigkeit haben, zwischen stabilen und instabilen Flugmodi zu wechseln; Einige Arten, wie der Fasan, scheinen dies nicht zu tun. Er fragt sich, ob diese Arten es nie entwickelt haben oder ob sie die Fähigkeit irgendwann verloren haben, so wie moderne flugunfähige Vögel von denen abstammen, die einst fliegen konnten.
Bessere Flugzeuge bauen
Viele der Purzelbaum-, Dreh- und Sturzmanöver, die Vögel beherrschen, möchte niemand in einem Passagierflugzeug erleben. Aber unbemannte Luftfahrzeuge, auch als UAVs oder Drohnen bekannt, sind freier für drastische Manöver, und ihre zunehmende Popularität für militärische, wissenschaftliche, Freizeit- und andere Zwecke schafft mehr Möglichkeiten für sie, dies zu tun.
„Dies ist ein großer Schritt hin zu wendigeren UAVs“, sagte Bhattacharya, der Harveys Studie sofort an seine Ingenieursgruppe schickte, als er sie sah. Die meisten UAVs sind heute Starrflügelflugzeuge, die sich hervorragend für Überwachungsmissionen und landwirtschaftliche Zwecke eignen, da sie stundenlang effizient fliegen und Tausende von Kilometern zurücklegen können. Allerdings fehlt ihnen die Manövrierfähigkeit der bei Bastlern beliebten zerbrechlichen Quadcopter-Drohnen. Forscher bei Airbus und NASA träumen von neuartigen Designs für geflügelte Flugzeuge, die einige der unglaublichen Manövrierfähigkeiten von Vögeln nachahmen könnten.
Taylor und sein Team hoffen zu analysieren, wie Vögel die Fähigkeit erwerben, komplexe Aufgaben auszuführen, während sie fliegen lernen. Wenn Forscher diese Manöver wirklich verstehen, könnten Ingenieure eines Tages KI in das Design neuer Flieger einbeziehen, wodurch sie die Biologie nicht nur im Aussehen, sondern auch in ihrer Fähigkeit, Flugverhalten zu lernen, nachahmen können.
Während sie ihr neues Labor an der University of California, Davis, einrichtet, entscheidet Harvey noch, wo ihre zukünftige Forschung liegen wird, von der Grundlagenforschung zum Vogelflug bis zur Entwicklung und Herstellung von Drohnen und Flugzeugen. Aber zuerst arbeitet sie daran, ein Team aus Ingenieur- und Biologiestudenten aufzubauen, die genauso leidenschaftlich daran interessiert sind, an der Grenze zweier sehr unterschiedlicher Bereiche zu arbeiten wie sie.
„Ich glaube nicht, dass ich im Ingenieurwesen vollständig aufgeblüht bin“, sagte Harvey. Als sie anfing, am Rande der Biologie zu arbeiten, hatte sie das Gefühl, kreativer sein zu können. Jetzt verbringt sie zum Entsetzen vieler ihrer Ingenieurkollegen viele Stunden damit, Vogelfiguren zu perfektionieren. „Die Hälfte meiner Zeit verbringe ich mit Zeichnen“, sagt sie. „Es hat meine Perspektive wirklich verändert.“
