En una habitación rectangular cubierta con una red de camuflaje, cuatro halcones de Harris se turnaban para volar de un lado a otro entre perchas cubiertas de hierba mientras los científicos registraban cada aleteo biomecánico. Los investigadores participaban en la tradicional búsqueda de observar pájaros volar, aunque en este experimento, su verdadero interés era verlos aterrizar.
En más de 1,500 vuelos entre las perchas, los cuatro halcones casi siempre tomaron el mismo camino, no el más rápido o el más eficiente energéticamente, sino el que les permitió posarse de manera más segura y con el mayor control. Como Graham taylor, profesor de biología matemática en la Universidad de Oxford, y sus colegas descrito recientemente in Naturaleza, los halcones volaron en un arco en forma de U, batiendo rápidamente sus alas para acelerar en una picada, luego descendieron bruscamente hacia arriba en un planeo, estirando sus alas para frenar su progreso antes de agarrarse a la percha.
"Verlos es fascinantemente extraño", dijo lydia Francia, un científico de datos de investigación en el Instituto Alan Turing e investigador postdoctoral en la Universidad de Oxford que diseñó y ayudó a ejecutar los experimentos. La capacidad de los halcones para aterrizar casi deteniéndose en el aire no tiene comparación con sus contrapartes mecánicas.
“La evolución ha creado un dispositivo volador mucho más complicado de lo que jamás hayamos podido diseñar”, dijo Samik Bhattacharya, profesor asistente en el laboratorio de mecánica de fluidos experimental de la Universidad de Florida Central. Las razones por las que los aviones actuales no pueden igualar la maniobrabilidad de las aves no son simplemente una cuestión de ingeniería. Aunque las aves se han observado meticulosamente a lo largo de la historia y han inspirado diseños para máquinas voladoras de Leonardo da Vinci y otros a lo largo de los siglos, la biomecánica que hace posible la maniobrabilidad de las aves ha sido en gran parte un misterio.
A estudio emblemático publicado el pasado mes de marzo en Naturaleza, sin embargo, ha comenzado a cambiar eso. Por su investigación doctoral en la Universidad de Michigan, cristina harvey y sus colegas descubrieron que la mayoría de las aves pueden transformar sus alas en pleno vuelo para alternar entre volar suavemente como un avión de pasajeros y volar acrobáticamente como un avión de combate. Su trabajo deja en claro que las aves pueden alterar por completo tanto las características aerodinámicas que rigen cómo el aire se mueve sobre sus alas como las características de inercia de sus cuerpos que determinan cómo dan vueltas por el aire para completar maniobras rápidas.
Estos descubrimientos identificaron grandes factores previamente desconocidos que contribuyen a la destreza acrobática de las aves y revelaron algunas de las presiones evolutivas que hicieron que las aves fueran tan hábiles para volar. También están ayudando a rediseñar los planos que los futuros ingenieros podrían seguir cuando intenten diseñar aeronaves tan maniobrables y adaptables como las aves logran ser, aparentemente con una gracia sin esfuerzo pero aprovechando recursos físicos y mentales formidablemente rápidos que apenas estamos comenzando a apreciar.
Harvey, que estudió ingeniería mecánica como estudiante universitario, describe sus estudios sobre el vuelo de las aves como "cuantificar algo que, para mí, parece magia". Al principio de su carrera, antes de hacer la transición de la ingeniería a la biología, nunca pensó que sería ella quien trataría de descubrir los secretos de las aves.
La geometría de las aves
“A mí ni siquiera me gustaban los pájaros”, dijo Harvey. Sin embargo, un día de 2016, se sentó en un saliente rocoso en un parque cerca de la Universidad de Columbia Británica, descansando después de una caminata corta y pensando en qué proyecto seguir como estudiante de maestría recién nombrada en un laboratorio de biología. Rodeada de gaviotas, pensó: “Vuelan muy bien, si ignoras lo molestas que son”.
La gaviota se convirtió rápidamente en lo que ella llama su pájaro "chispa", y pronto dejó de evitarlos para tratar de entender más sobre su poder de vuelo. Pero a medida que Harvey profundizó en la literatura, se dio cuenta de que había grandes lagunas en nuestro conocimiento de cómo vuelan las aves.
Ella estaba profundamente inspirada por un estudio de 2001 que Taylor había escrito como coautor mientras cursaba su doctorado en Oxford. El artículo de Taylor fue el primero en establecer una base teórica sobre cómo las aves y otros animales voladores logran la estabilidad, el rasgo que les impide ser empujados en la dirección equivocada.
La estabilidad, explicó Taylor, proviene de una combinación de estabilidad inherente, o resistencia innata a las perturbaciones, y control, una capacidad activa para alterar las respuestas a las perturbaciones. La estabilidad inherente es lo que tiene un buen avión de papel; el control es el punto fuerte de un avión de combate de quinta generación. La investigación de 2001 mostró que la estabilidad inherente jugó un papel más importante en el vuelo de las aves de lo que generalmente se creía.
Poco después de leer el artículo de Taylor, Harvey centró su trabajo doctoral en el desarrollo de las primeras ecuaciones dinámicas de estabilidad en el vuelo de las aves. “Tenemos todas estas ecuaciones para aeronaves”, dijo. “Los quería para el vuelo de las aves”.
Para comprender la estabilidad y la inestabilidad del vuelo de las aves y los desafíos que enfrentan las aves para controlarlos, Harvey se dio cuenta de que ella y su equipo necesitaban mapear todas las propiedades inerciales de las aves, algo que los estudios anteriores ignoraron en gran medida o trataron como sin importancia. Las propiedades de inercia se relacionan con la masa de un ave y cómo se distribuye, en contraste con las propiedades aerodinámicas que actúan sobre un ave en movimiento.
Harvey y su equipo recolectaron 36 cadáveres de aves congeladas, que representan 22 especies muy diferentes, del Museo de Biodiversidad Beaty de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá. Diseccionaron los cadáveres hasta cada pluma individual, tomaron medidas de longitud, peso y envergadura, y extendieron y contrajeron manualmente las alas para determinar el rango de movimiento de los codos y las muñecas de las aves.
Escribieron un programa de modelado novedoso que representaba diferentes tipos de alas, huesos, músculos, piel y plumas como combinaciones de cientos de formas geométricas. El software les permitió calcular características relevantes como el centro de gravedad y el “punto neutral” que es el centro aerodinámico del ave en vuelo. Luego determinaron esas propiedades para cada ave con sus alas configuradas en una variedad de formas.
Para cuantificar la estabilidad y maniobrabilidad de cada ave, calcularon un factor aerodinámico llamado margen estático, la distancia entre su centro de gravedad y su punto neutral en relación con las dimensiones del ala. Si el punto neutral de un ave estaba detrás de su centro de gravedad, consideraban que el ave era intrínsecamente estable, lo que significa que el ave voladora volvería naturalmente a su trayectoria de vuelo original si fuera desequilibrada. Si el punto neutral estaba frente al centro de gravedad, entonces el ave era inestable y sería empujada más lejos de la posición en la que estaba, que es exactamente lo que debe suceder para que un ave pueda realizar una maniobra impresionante.
Cuando los ingenieros aeronáuticos diseñan aviones, establecen los márgenes estáticos para lograr el rendimiento deseado. Pero las aves, a diferencia de los aviones, pueden mover sus alas y cambiar la postura de su cuerpo, alterando así sus márgenes estáticos. Por lo tanto, Harvey y su equipo también evaluaron cómo cambiaba la estabilidad inherente de cada ave en diferentes configuraciones de alas.
De hecho, Harvey y sus colegas tomaron un marco que es "muy similar al que hacemos para los aviones" y lo adaptaron a las aves, dijo Aimy Wissa, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Princeton, quien escribió un comentario sobre su trabajo para Naturaleza.
Vuelo flexible
Cuando los dinosaurios therapod plumosos se lanzaron al aire hace aproximadamente 160 millones de años, eran voladores limitados, revoloteando solo en distancias cortas o en pequeñas ráfagas. Pero con solo unas pocas excepciones, las más de 10,000 especies de aves que descienden de esos dinosaurios se han convertido en máquinas de vuelo extraordinarias, capaces de deslizarse con gracia y maniobras acrobáticas. Ese tipo de maniobrabilidad requiere aprovechar de forma controlada la inestabilidad y luego salir de ella.
Debido a que las aves modernas son tan maniobrables, los biólogos asumieron que habían evolucionado para ser cada vez más inestables. “Se creía que las aves, como los aviones de combate, simplemente se inclinan hacia estas inestabilidades para realizar estas maniobras realmente rápidas”, dijo Harvey. “Y es por eso que las aves vuelan de esta manera que aún no podemos replicar”.
Pero los investigadores encontraron que solo una de las especies que observaron, el faisán, era completamente inestable. Cuatro especies eran completamente estables y 17 especies, incluidos los vencejos y las palomas, podían cambiar entre vuelo estable e inestable transformando sus alas. “Realmente, lo que estamos viendo es que estas aves pueden cambiar entre ese tipo de estilo más parecido a un avión de combate y un estilo más parecido a un avión de pasajeros”, dijo Harvey.
El modelado matemático adicional realizado por su equipo sugirió que, en lugar de mejorar la inestabilidad de las aves, la evolución ha estado preservando su potencial tanto para la estabilidad como para la inestabilidad. En todas las aves estudiadas, el equipo de Harvey encontró evidencia de que las presiones de selección mantenían simultáneamente márgenes estáticos que permitían ambas cosas. Como resultado, las aves tienen la capacidad de cambiar de un modo estable a uno inestable y viceversa, cambiando sus propiedades de vuelo según sea necesario.
Los aviones modernos no pueden hacer eso, no solo porque sus características aerodinámicas e inerciales son más fijas, sino porque necesitarían dos algoritmos de control muy diferentes. Vuelo inestable significa hacer correcciones constantemente para evitar estrellarse. Las aves deben tener que hacer algo similar y "debe haber algún nivel de cognición involucrado en eso", dijo. arquero de caña, ecólogo del comportamiento y director del programa de ecología aviar en la Estación Biológica Archbold en Florida.
“La gente ha estado tratando de entender el origen de las aves desde que la gente ha estado estudiando la evolución, y un obstáculo importante ha sido la complejidad del vuelo y nuestra incapacidad para deconstruirlo”, dijo. Mateo Carrano, curador de Dinosauria en el departamento de paleobiología de la Institución Smithsonian.
Lo que más le sorprende no es que las aves tengan estas habilidades para cambiar entre modos de vuelo estables e inestables; es que algunas especies, como el faisán, aparentemente no lo hacen. Se pregunta si esas especies nunca la desarrollaron o si perdieron la habilidad en algún momento, al igual que las aves modernas que no vuelan descienden de las que alguna vez pudieron volar.
Construyendo Mejores Aeronaves
Muchas de las maniobras de saltos mortales, giros y caídas en picado que las aves han dominado no son las que nadie querría experimentar en un avión de pasajeros. Pero los vehículos aéreos no tripulados, también conocidos como UAV o drones, son más libres para realizar maniobras drásticas, y su creciente popularidad para usos militares, científicos, recreativos y de otro tipo está creando más oportunidades para que lo hagan.
“Este es un gran paso hacia la generación de vehículos aéreos no tripulados más maniobrables”, dijo Bhattacharya, quien, al ver el estudio de Harvey, lo envió de inmediato a su grupo de ingeniería. La mayoría de los vehículos aéreos no tripulados de hoy en día son aeronaves de ala fija, que son excelentes para misiones de vigilancia y fines agrícolas porque pueden volar de manera eficiente durante horas y recorrer miles de kilómetros. Sin embargo, carecen de la maniobrabilidad de los frágiles drones cuadricópteros populares entre los aficionados. Investigadores en Airbus y NASA están ideando diseños novedosos para aeronaves aladas que podrían imitar algunos de los increíbles talentos de maniobra de las aves.
Taylor y su equipo esperan analizar cómo las aves adquieren la capacidad de realizar tareas complejas mientras aprenden a volar. Si los investigadores realmente pueden comprender estas maniobras, los ingenieros podrían incluir algún día la IA en el diseño de nuevos volantes, permitiéndoles imitar la biología no solo en apariencia, sino también en su capacidad para aprender comportamientos de vuelo.
Mientras instala su nuevo laboratorio en la Universidad de California, Davis, Harvey todavía está decidiendo dónde se ubicará su futura investigación en el espectro, desde la investigación básica sobre el vuelo de las aves hasta el diseño y la fabricación de drones y aviones. Pero primero, está trabajando para formar un equipo de estudiantes de ingeniería y biología que estén tan apasionados por trabajar en el límite de dos campos muy diferentes como ella.
“No creo que estuviera floreciendo completamente dentro de la ingeniería”, dijo Harvey. Cuando comenzó a trabajar en el borde de la biología, sintió que podía ser más creativa. Ahora, para consternación de muchos de sus colegas ingenieros, pasa largas horas trabajando en el perfeccionamiento de figuras de pájaros. “Paso la mitad de mi tiempo dibujando”, dijo. “Realmente ha cambiado mi perspectiva”.
