Σε ένα ορθογώνιο δωμάτιο ντυμένο με δίχτυ παραλλαγής, τέσσερα γεράκια του Χάρις πετούσαν εναλλάξ πέρα δώθε ανάμεσα σε κούρνιες καλυμμένες με γρασίδι, ενώ οι επιστήμονες κατέγραφαν κάθε εμβιομηχανικό φτερούγισμα τους. Οι ερευνητές συμμετείχαν στη διαχρονική επιδίωξη να παρακολουθούν τα πουλιά να πετούν - αν και σε αυτό το πείραμα, το πραγματικό τους ενδιαφέρον ήταν να τα παρακολουθήσουν να προσγειώνονται.
Σε περισσότερες από 1,500 πτήσεις μεταξύ των κούρνια, τα τέσσερα γεράκια έπαιρναν σχεδόν πάντα την ίδια διαδρομή - όχι την ταχύτερη ή την πιο ενεργειακά αποδοτική, αλλά αυτή που τους επέτρεπε να κουρνιάζουν με τον πιο ασφαλή τρόπο και με τον περισσότερο έλεγχο. Οπως και Γκράχαμ Τέιλορ, καθηγητής μαθηματικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και οι συνεργάτες του περιγράφεται πρόσφατα in Φύση, τα γεράκια πέταξαν σε ένα τόξο σχήματος U, χτυπώντας γρήγορα τα φτερά τους για να επιταχυνθούν σε μια βουτιά, στη συνέχεια σύρθηκαν απότομα προς τα πάνω σε μια ολίσθηση, τεντώνοντας τα φτερά τους για να επιβραδύνουν την πρόοδό τους πριν πιάσουν στην πέρκα.
«Το να τους παρακολουθείς είναι συναρπαστικά εξωγήινο», είπε Λυδία Γαλλία, ερευνητής δεδομένων στο Ινστιτούτο Άλαν Τούρινγκ και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που σχεδίασε και βοήθησε στη διεξαγωγή των πειραμάτων. Η ικανότητα των γερακιών να προσγειώνονται σχεδόν σταματώντας στον αέρα είναι απαράμιλλη από τους μηχανικούς ομολόγους τους.
«Η εξέλιξη έχει δημιουργήσει μια πολύ πιο περίπλοκη ιπτάμενη συσκευή από ό,τι μπορέσαμε ποτέ να κατασκευάσουμε», είπε. Samik Bhattacharya, επίκουρος καθηγητής στο πειραματικό εργαστήριο μηχανικής ρευστών στο Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα. Οι λόγοι για τους οποίους τα σημερινά αεροσκάφη δεν μπορούν να ταιριάξουν με τους ελιγμούς των πτηνών δεν είναι απλώς θέμα μηχανικής. Αν και τα πουλιά έχουν παρατηρηθεί σχολαστικά σε όλη την ιστορία και έχουν εμπνεύσει σχέδια για ιπτάμενες μηχανές από τον Λεονάρντο ντα Βίντσι και άλλους ανά τους αιώνες, η εμβιομηχανική που καθιστά δυνατή την ευελιξία των πουλιών ήταν σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο.
A μελέτη ορόσημο δημοσιεύθηκε τον περασμένο Μάρτιο στο ΦύσηΩστόσο, άρχισε να το αλλάζει αυτό. Για τη διδακτορική της έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, Κριστίνα Χάρβεϊ και οι συνάδελφοί της διαπίστωσαν ότι τα περισσότερα πουλιά μπορούν να μεταμορφώσουν τα φτερά τους κατά τη διάρκεια της πτήσης για να γυρίσουν πέρα δώθε μεταξύ του να πετούν ομαλά σαν επιβατικό αεροπλάνο και να πετούν ακροβατικά σαν μαχητικό αεροσκάφος. Η δουλειά τους καθιστά σαφές ότι τα πουλιά μπορούν να αλλάξουν εντελώς τόσο τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά που διέπουν τον τρόπο με τον οποίο ο αέρας κινείται πάνω από τα φτερά τους όσο και τα αδρανειακά χαρακτηριστικά του σώματός τους που καθορίζουν πώς πέφτουν στον αέρα για να ολοκληρώσουν γρήγορους ελιγμούς.
Αυτές οι ανακαλύψεις εντόπισαν μεγάλους, προηγουμένως άγνωστους παράγοντες που συνέβαλαν στην ακροβατική ικανότητα των πτηνών και αποκάλυψαν μερικές από τις εξελικτικές πιέσεις που έκαναν τα πουλιά τόσο ικανά να πετούν. Βοηθούν επίσης στην αναδιαμόρφωση των σχεδίων που θα μπορούσαν να ακολουθήσουν οι μελλοντικοί μηχανικοί όταν προσπαθούν να σχεδιάσουν αεροσκάφη τόσο ευέλικτα και προσαρμόσιμα όσο τα πουλιά καταφέρνουν να είναι, φαινομενικά με αβίαστη χάρη, αλλά αντλώντας από τρομερά γρήγορους φυσικούς και πνευματικούς πόρους που μόλις αρχίζουμε να εκτιμούμε.
Η Χάρβεϊ, η οποία σπούδασε μηχανολόγος μηχανικός ως προπτυχιακός, περιγράφει τις σπουδές της για την πτήση πουλιών ως «ποσοτικοποίηση κάτι που, για μένα, μοιάζει με μαγικό». Στις αρχές της καριέρας της, πριν κάνει τη μετάβαση από τη μηχανική στη βιολογία, ποτέ δεν πίστευε ότι θα ήταν αυτή που θα προσπαθούσε να διακρίνει τα μυστικά των πουλιών.
Η Γεωμετρία των Πτηνών
«Δεν μου άρεσαν καν τα πουλιά», είπε ο Χάρβεϊ. Ωστόσο, μια μέρα το 2016, κάθισε σε μια βραχώδη προεξοχή σε ένα πάρκο κοντά στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, ξεκουραζόταν μετά από μια σύντομη πεζοπορία και σκεφτόταν ποιο έργο θα ακολουθούσε ως νεοδιορισμένη φοιτήτρια μεταπτυχιακού σε ένα εργαστήριο βιολογίας. Περιτριγυρισμένη από γλάρους, σκέφτηκε: «Πετάνε πολύ όμορφα, αν αγνοήσεις πόσο ενοχλητικοί είναι».
Ο γλάρος έγινε γρήγορα αυτό που αποκαλεί το πουλί «σπινθήρα» της και σύντομα εγκατέλειψε να τους αποφεύγει για να προσπαθήσει να καταλάβει περισσότερα για τη δύναμη της πτήσης τους. Αλλά καθώς η Harvey έσκαβε βαθύτερα στη βιβλιογραφία, συνειδητοποίησε ότι υπήρχαν μεγάλα κενά στη γνώση μας για το πώς πετούν τα πουλιά.
Ήταν βαθιά εμπνευσμένη από μια μελέτη 2001 που ο Τέιλορ είχε συνγράψει ενώ συνέχιζε το διδακτορικό του στην Οξφόρδη. Η εργασία του Taylor ήταν η πρώτη που έθεσε μια θεωρητική βάση για το πώς τα πουλιά και άλλα ιπτάμενα ζώα επιτυγχάνουν σταθερότητα, το χαρακτηριστικό που τα εμποδίζει να ωθηθούν προς τη λάθος κατεύθυνση.
Η σταθερότητα, εξήγησε ο Taylor, προέρχεται από έναν συνδυασμό εγγενούς σταθερότητας, ή έμφυτης αντίστασης στις διαταραχές, και ελέγχου, μιας ενεργούς ικανότητας αλλαγής των αποκρίσεων στις διαταραχές. Η εγγενής σταθερότητα είναι αυτό που έχει ένα καλό χάρτινο αεροπλάνο. Ο έλεγχος είναι το φόρτε ενός μαχητικού αεροπλάνου πέμπτης γενιάς. Η έρευνα του 2001 έδειξε ότι η εγγενής σταθερότητα έπαιξε μεγαλύτερο ρόλο στην πτήση των πτηνών από ό,τι πιστεύεται γενικά.
Λίγο μετά την ανάγνωση της εργασίας του Taylor, η Harvey εστίασε το διδακτορικό της έργο στην ανάπτυξη των πρώτων δυναμικών εξισώσεων σταθερότητας κατά την πτήση των πτηνών. «Έχουμε όλες αυτές τις εξισώσεις για τα αεροσκάφη», είπε. «Τα ήθελα για πτήση πουλιών».
Για να κατανοήσει τη σταθερότητα και την αστάθεια της πτήσης των πτηνών και τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα πουλιά στον έλεγχό τους, συνειδητοποίησε η Harvey, αυτή και η ομάδα της έπρεπε να χαρτογραφήσουν όλες τις αδρανειακές ιδιότητες των πτηνών, κάτι που προηγούμενες μελέτες σε μεγάλο βαθμό αγνόησαν ή θεωρούσαν ασήμαντο. Οι αδρανειακές ιδιότητες σχετίζονται με τη μάζα ενός πουλιού και τον τρόπο κατανομής του, σε αντίθεση με τις αεροδυναμικές ιδιότητες που δρουν σε ένα πουλί σε κίνηση.
Η Harvey και η ομάδα της συγκέντρωσαν 36 κατεψυγμένα πτώματα πουλιών - που αντιπροσωπεύουν 22 πολύ διαφορετικά είδη - από το Μουσείο Βιοποικιλότητας Beaty στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας στο Βανκούβερ του Καναδά. Έκοψαν τα πτώματα σε κάθε μεμονωμένο φτερό, πήραν μετρήσεις μήκους, βάρους και ανοίγματος φτερών, και με το χέρι επέκτειναν και συσπούσαν τα φτερά για να καταλάβουν το εύρος κίνησης των αγκώνων και των καρπών των πουλιών.
Έγραψαν ένα νέο πρόγραμμα μοντελοποίησης που αντιπροσώπευε διαφορετικούς τύπους φτερών, οστών, μυών, δέρματος και φτερών ως συνδυασμούς εκατοντάδων γεωμετρικών σχημάτων. Το λογισμικό τους επέτρεψε να υπολογίσουν σχετικά χαρακτηριστικά όπως το κέντρο βάρους και το «ουδέτερο σημείο» που είναι το αεροδυναμικό κέντρο του πουλιού κατά την πτήση. Στη συνέχεια προσδιόρισαν αυτές τις ιδιότητες για κάθε πουλί με τα φτερά του διαμορφωμένα σε διάφορα σχήματα.
Για να ποσοτικοποιήσουν τη σταθερότητα και την ικανότητα ελιγμών κάθε πουλιού, υπολόγισαν έναν αεροδυναμικό παράγοντα που ονομάζεται στατικό περιθώριο, την απόσταση μεταξύ του κέντρου βάρους και του ουδέτερου σημείου σε σχέση με τις διαστάσεις του φτερού. Εάν το ουδέτερο σημείο ενός πουλιού βρισκόταν πίσω από το κέντρο βάρους του, θεωρούσαν ότι το πουλί είναι εγγενώς σταθερό, πράγμα που σημαίνει ότι το πτηνό που πετάει θα επέστρεφε φυσικά στην αρχική του διαδρομή πτήσης εάν απωθούσε την ισορροπία του. Εάν το ουδέτερο σημείο βρισκόταν μπροστά από το κέντρο βάρους, τότε το πουλί ήταν ασταθές και θα ωθούσε περισσότερο από τη θέση που βρισκόταν - αυτό ακριβώς που πρέπει να συμβεί για να μπορέσει ένα πουλί να κάνει έναν ελιγμό που κόβει την ανάσα.
Όταν οι μηχανικοί αεροναυπηγών σχεδιάζουν αεροπλάνα, θέτουν τα στατικά περιθώρια για να επιτύχουν την επιθυμητή απόδοση. Αλλά τα πουλιά, σε αντίθεση με τα αεροπλάνα, μπορούν να κινήσουν τα φτερά τους και να αλλάξουν τη στάση του σώματός τους, αλλάζοντας έτσι τα στατικά τους περιθώρια. Επομένως, η Harvey και η ομάδα της αξιολόγησαν επίσης πώς άλλαξε η εγγενής σταθερότητα κάθε πουλιού σε διαφορετικές διαμορφώσεις φτερών.
Στην πραγματικότητα, η Harvey και οι συνάδελφοί της πήραν ένα πλαίσιο που είναι «πολύ παρόμοιο με αυτό που κάνουμε για τα αεροσκάφη» και το προσάρμοσαν στα πουλιά, είπε. Έιμι Βίσα, επίκουρος καθηγητής μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον που έγραψε ένα σχόλιο για το έργο τους για Φύση.
Ευέλικτη πτήση
Όταν οι φτερωτοί δεινόσαυροι therapod εκτοξεύτηκαν στον αέρα πριν από περίπου 160 εκατομμύρια χρόνια, ήταν περιορισμένα ιπτάμενα, που πετούσαν μόνο σε μικρές αποστάσεις ή σε μικροσκοπικές εκρήξεις. Αλλά με λίγες μόνο εξαιρέσεις, τα περισσότερα από 10,000 είδη πουλιών που προέρχονται από αυτούς τους δεινόσαυρους έχουν εξελιχθεί σε εξαιρετικές πτητικές μηχανές, ικανές για χαριτωμένα ολίσθηση και ακροβατικούς ελιγμούς. Αυτό το είδος ευελιξίας απαιτεί να εκμεταλλευτεί κανείς ελεγχόμενο πλεονέκτημα της αστάθειας - και στη συνέχεια να αποχωρήσει από αυτήν.
Επειδή τα σύγχρονα πουλιά είναι τόσο ευέλικτα, οι βιολόγοι υπέθεσαν ότι είχαν εξελιχθεί ώστε να είναι όλο και πιο ασταθή. «Πιστεύτηκε ότι τα πουλιά, όπως τα μαχητικά αεροσκάφη, απλώς γέρνουν σε αυτές τις αστάθειες για να εκτελέσουν αυτούς τους πολύ γρήγορους ελιγμούς», είπε ο Χάρβεϊ. «Και αυτός είναι ο λόγος που τα πουλιά πετούν με αυτόν τον τρόπο που δεν μπορούμε να αναπαραγάγουμε ακόμα».
Όμως οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μόνο ένα από τα είδη που εξέτασαν, ο φασιανός, ήταν εντελώς ασταθές. Τέσσερα είδη ήταν εντελώς σταθερά και 17 είδη - συμπεριλαμβανομένων των στροφέων και των περιστεριών - μπορούσαν να αλλάξουν μεταξύ σταθερής και ασταθούς πτήσης μεταμορφώνοντας τα φτερά τους. «Πραγματικά, αυτό που βλέπουμε είναι ότι αυτά τα πουλιά μπορούν να αλλάξουν ανάμεσα σε αυτό το στυλ που μοιάζει με μαχητικό αεροσκάφος και σε ένα στυλ που μοιάζει περισσότερο με επιβατηγό», είπε ο Χάρβεϊ.
Περαιτέρω μαθηματική μοντελοποίηση από την ομάδα της πρότεινε ότι αντί να ενισχύει την αστάθεια των πτηνών, η εξέλιξη έχει διατηρήσει τις δυνατότητές τους τόσο για σταθερότητα όσο και για αστάθεια. Σε όλα τα πουλιά που μελετήθηκαν, η ομάδα του Χάρβεϊ βρήκε στοιχεία ότι οι πιέσεις επιλογής διατηρούσαν ταυτόχρονα στατικά περιθώρια που επέτρεψαν και τα δύο. Ως αποτέλεσμα, τα πτηνά έχουν τη δυνατότητα να αλλάζουν από μια σταθερή λειτουργία σε μια ασταθή και να επιστρέφουν, αλλάζοντας τις ιδιότητες πτήσης τους ανάλογα με τις ανάγκες.
Τα σύγχρονα αεροσκάφη δεν μπορούν να το κάνουν αυτό, όχι μόνο επειδή τα αεροδυναμικά και αδρανειακά τους χαρακτηριστικά είναι πιο σταθερά, αλλά επειδή θα χρειάζονταν δύο πολύ διαφορετικούς αλγόριθμους ελέγχου. Ασταθής πτήση σημαίνει συνεχείς διορθώσεις για την αποφυγή συντριβής. Τα πουλιά πρέπει να κάνουν κάτι παρόμοιο και «πρέπει να υπάρχει κάποιο επίπεδο γνώσης που εμπλέκεται σε αυτό», είπε Ριντ Μπάουμαν, οικολόγος συμπεριφοράς και διευθυντής του προγράμματος οικολογίας πτηνών στο Βιολογικό Σταθμό Archbold στη Φλόριντα.
«Οι άνθρωποι προσπαθούσαν να κατανοήσουν την προέλευση των πτηνών όσο οι άνθρωποι μελετούσαν την εξέλιξη – και ένα σημαντικό εμπόδιο ήταν η πολυπλοκότητα της πτήσης και η αδυναμία μας να την αποδομήσουμε», είπε. Μάθιου Καρράνο, επιμελητής του Dinosauria στο τμήμα Παλαιοβιολογίας του Ινστιτούτου Smithsonian.
Αυτό που τον εκπλήσσει περισσότερο δεν είναι ότι τα πουλιά έχουν αυτές τις ικανότητες να αλλάζουν μεταξύ σταθερών και ασταθών τρόπων πτήσης. είναι ότι ορισμένα είδη, όπως ο φασιανός, φαινομενικά δεν το κάνουν. Αναρωτιέται αν αυτά τα είδη δεν το εξέλιξαν ποτέ ή αν έχασαν την ικανότητα κάποια στιγμή, όπως τα σύγχρονα πουλιά που δεν πετούσαν κατάγονταν από αυτά που κάποτε μπορούσαν να πετάξουν.
Κατασκευή Καλύτερων Αεροσκαφών
Πολλοί από τους ελιγμούς τούμπες, περιστροφές και πέφτοντας που έχουν κατακτήσει τα πουλιά δεν είναι αυτοί που θα ήθελε κανείς να ζήσει σε ένα επιβατικό αεροσκάφος. Αλλά τα μη πληρώματα εναέρια οχήματα, γνωστά και ως UAV ή drones, είναι πιο ελεύθερα να κάνουν δραστικούς ελιγμούς και η αυξανόμενη δημοτικότητά τους για στρατιωτικές, επιστημονικές, ψυχαγωγικές και άλλες χρήσεις τους δημιουργεί περισσότερες ευκαιρίες να το κάνουν.
«Αυτό είναι ένα σπουδαίο βήμα προς τη δημιουργία πιο ευέλικτων UAV», είπε ο Bhattacharya, ο οποίος, μόλις είδε τη μελέτη του Harvey, την έστειλε αμέσως στην ομάδα μηχανικών του. Τα περισσότερα UAV σήμερα είναι αεροσκάφη σταθερών πτερύγων, τα οποία είναι εξαιρετικά για αποστολές επιτήρησης και γεωργικούς σκοπούς, επειδή μπορούν να πετούν αποτελεσματικά για ώρες και να διασχίσουν χιλιάδες χιλιόμετρα. Ωστόσο, τους λείπει η ευελιξία των εύθραυστων τετρακοπτέρων drones που είναι δημοφιλή στους χομπίστες. Ερευνητές στο Airbus και NASA ονειρεύονται νέα σχέδια για φτερωτά αεροσκάφη που θα μπορούσαν να μιμηθούν μερικά από τα απίστευτα ταλέντα ελιγμών των πτηνών.
Ο Taylor και η ομάδα του ελπίζουν να αναλύσουν πώς τα πουλιά αποκτούν την ικανότητα να εκτελούν σύνθετες εργασίες ενώ μαθαίνουν να πετούν. Εάν οι ερευνητές μπορούν πραγματικά να κατανοήσουν αυτούς τους ελιγμούς, οι μηχανικοί μπορεί κάποια μέρα να συμπεριλάβουν την τεχνητή νοημοσύνη στο σχεδιασμό νέων ιπτάμενων, επιτρέποντάς τους να μιμούνται τη βιολογία όχι μόνο στην εμφάνιση, αλλά και στην ικανότητά τους να μαθαίνουν συμπεριφορές πτήσης.
Καθώς εγκαθιστά το νέο της εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Ντέιβις, η Χάρβεϊ εξακολουθεί να αποφασίζει πού θα βρίσκεται η μελλοντική της έρευνά στο φάσμα από τη βασική έρευνα στην πτήση πτηνών μέχρι το σχεδιασμό και την κατασκευή drones και αεροπλάνων. Αλλά πρώτα, εργάζεται για να δημιουργήσει μια ομάδα φοιτητών μηχανικής και βιολογίας που είναι εξίσου παθιασμένοι με την εργασία στα όρια δύο πολύ διαφορετικών πεδίων με εκείνη.
«Δεν νομίζω ότι άνθησα εξ ολοκλήρου στη μηχανική», είπε ο Χάρβεϊ. Όταν άρχισε να εργάζεται στα όρια της βιολογίας, ένιωσε ότι μπορούσε να είναι πιο δημιουργική. Τώρα, προς απογοήτευση πολλών από τους συναδέλφους της μηχανικούς, ξοδεύει πολλές ώρες δουλεύοντας για να τελειοποιήσει τις φιγούρες των πουλιών. «Ξοδεύω τον μισό χρόνο μου ζωγραφίζοντας», είπε. «Έχει αλλάξει πραγματικά την οπτική μου».
