Ristkülikukujulises kamuflaaživõrguga kaetud ruumis lendasid neli Harrise kulli kordamööda rohuga kaetud õrrete vahel edasi-tagasi, samal ajal kui teadlased registreerisid iga nende biomehaanilise laperduse. Teadlased võtsid osa ajastutruud püüdlustest jälgida lindude lendamist – kuigi selles katses oli nende tegelik huvi nende maandumise jälgimine.
Rohkem kui 1,500 lennul õrrete vahel valisid neli kulli peaaegu alati sama teed – mitte kõige kiiremat ega energiasäästlikumat, vaid seda, mis võimaldas neil kõige ohutumalt ja kõige paremini juhtida. Nagu Graham Taylor, Oxfordi ülikooli matemaatilise bioloogia professor ja tema kolleegid hiljuti kirjeldatud in loodus, lendasid kullid U-kujulises kaares, lehvitades kiiresti tiibu, et kiirendada sukeldumist, seejärel libisedes järsult ülespoole, sirutades oma tiivad välja, et aeglustada edenemist, enne kui nad ahvenale haarasid.
"Nende vaatamine on vaimustavalt võõras," ütles Lydia Prantsusmaa, Alan Turingi Instituudi uurimisandmete teadlane ja Oxfordi ülikooli järeldoktor, kes kavandas ja aitas katseid läbi viia. Kullide võime maanduda peaaegu õhus peatudes on võrreldamatu nende mehaaniliste kolleegidega.
"Evolutsioon on loonud palju keerulisema lennuseadme, kui me kunagi oleme suutnud välja töötada," ütles Samik Bhattacharya, Kesk-Florida ülikooli eksperimentaalse vedelikumehaanika labori dotsent. Põhjused, miks tänapäeva lennukid ei suuda võrrelda lindude manööverdusvõimet, ei ole lihtsalt inseneriküsimused. Kuigi linde on läbi ajaloo hoolikalt vaadeldud ja need on sajandite jooksul inspireerinud Leonardo da Vinci ja teiste lendavate masinate disaini, on lindude manööverdusvõimet võimaldav biomehaanika suuresti olnud mõistatus.
A maamärkide uuring avaldati eelmise aasta märtsis looduson aga hakanud seda muutma. Doktoritöö eest Michigani ülikoolis Christina Harvey ja tema kolleegid leidsid, et enamik linde suudab lennu keskel oma tiibu muuta, et lennata edasi-tagasi sujuvalt nagu reisilennuk ja akrobaatiliselt nagu hävitaja. Nende töö teeb selgeks, et linnud võivad täielikult muuta nii aerodünaamilisi omadusi, mis reguleerivad õhu liikumist üle nende tiibade, kui ka nende kehade inertsiaalseid omadusi, mis määravad, kuidas nad kiirete manöövrite sooritamiseks läbi õhu tuiskavad.
Need avastused tuvastasid suured, varem tundmatud tegurid, mis soodustavad lindude vigurlennuvõimet, ja paljastasid mõned evolutsioonilised surved, mis muutsid linnud nii vilunuks lendama. Samuti aitavad nad ümber koostada plaane, mida tulevased insenerid võiksid järgida, kui nad üritavad kavandada lennukeid nii manööverdatavate ja kohanemisvõimelistena, nagu linnud suudavad, näiliselt vaevatu armuga, kuid toetudes tohutult kiiretele füüsilistele ja vaimsetele ressurssidele, mida me alles hakkame hindama.
Harvey, kes õppis bakalaureuseõppes masinaehitust, kirjeldab oma lindude lennuõpinguid kui „millegi kvantifitseerimist, mis minu jaoks tundub maagiana”. Oma karjääri alguses, enne inseneritöölt bioloogiale üleminekut, ei uskunud ta kunagi, et tema püüab lindude saladusi eristada.
Lindude geomeetria
"Mulle ei meeldinud isegi linnud," ütles Harvey. Ometi istus ta ühel päeval 2016. aastal Briti Columbia ülikooli lähedal pargis kivisel äärel, puhkas pärast lühikest matka ja mõtles, millist projekti äsja ametisse nimetatud bioloogialabori magistrandina jätkata. Kajakatest ümbritsetuna mõtles ta: "Nad lendavad väga lahedalt, kui eirata, kui tüütud nad on."
Kajakast sai kiiresti see, mida ta nimetab oma "sädelinnuks" ja ta loobus peagi nende vältimisest ning püüdis nende lennuvõimest rohkem aru saada. Kuid kui Harvey kirjandusse süvenes, mõistis ta, et meie teadmistes lindude lendamisest on suuri lünki.
Ta oli sellest sügavalt inspireeritud 2001 uuring mille Taylor oli Oxfordis doktorikraadi omandades kaasautoriks. Taylori artikkel oli esimene, kes pani paika teoreetilise aluse selle kohta, kuidas linnud ja muud lendavad loomad saavutavad stabiilsuse – omaduse, mis ei lase neil vales suunas tõugata.
Stabiilsus, selgitas Taylor, tuleneb loomupärase stabiilsuse või kaasasündinud vastupanuvõimest häiretele ja kontrollist, aktiivsest võimest muuta reageeringuid häiretele. Heal paberlennukil on omane stabiilsus; juhtimine on viienda põlvkonna hävitaja tugevaim külg. 2001. aasta uuring näitas, et loomupärane stabiilsus mängis lindude lendudel suuremat rolli, kui üldiselt arvati.
Varsti pärast Taylori artikli lugemist keskendus Harvey oma doktoritööle lindude lennu stabiilsuse esimeste dünaamiliste võrrandite väljatöötamisele. "Meil on kõik need võrrandid õhusõidukite jaoks," ütles ta. "Ma tahtsin neid linnulennuks."
Et mõista lindude lennu stabiilsust ja ebastabiilsust ning lindude kontrolli all hoidmisega seotud väljakutseid, mõistis Harvey, et tema ja ta meeskond peavad kaardistama kõik lindude inertsiaalsed omadused, mida varasemates uuringutes suures osas eirati või mida käsitleti ebaolulisena. Inertsiaalsed omadused on seotud linnu massi ja selle jaotumisega, vastupidiselt liikuvale linnule mõjuvatele aerodünaamilistele omadustele.
Harvey ja tema meeskond kogusid Kanadas Vancouveris Briti Columbia ülikoolis asuvast Beaty bioloogilise mitmekesisuse muuseumist kokku 36 külmunud linnulaibast, mis esindasid 22 väga erinevat liiki. Nad tükeldasid surnukehad iga üksiku sulgeni, mõõtsid pikkust, kaalu ja tiibade siruulatust ning sirutasid ja tõmbasid tiibu käsitsi välja, et välja selgitada lindude küünarnukkide ja randmete liikumisulatus.
Nad kirjutasid uudse modelleerimisprogrammi, mis esindas erinevat tüüpi tiibu, luid, lihaseid, nahka ja sulgi sadade geomeetriliste kujundite kombinatsioonidena. Tarkvara võimaldas neil arvutada asjakohaseid omadusi, nagu raskuskese ja neutraalne punkt, mis on lennu ajal oleva linnu aerodünaamiline keskpunkt. Seejärel määrasid nad need omadused iga linnu jaoks, kelle tiivad olid konfigureeritud erineva kujuga.
Iga linnu stabiilsuse ja manööverdusvõime kvantifitseerimiseks arvutasid nad välja aerodünaamilise teguri, mida nimetatakse staatiliseks marginaaliks, selle raskuskeskme ja neutraalse punkti vahelise kauguse tiiva mõõtmete suhtes. Kui linnu neutraalne punkt oli tema raskuskeskmest tagapool, pidasid nad lindu loomupäraselt stabiilseks, mis tähendab, et lendav lind pöördub tasakaalust välja tõrjumisel loomulikult tagasi oma algsele lennutrajektoorile. Kui neutraalne punkt asus raskuskeskme ees, siis oli lind ebastabiilne ja tõugati positsioonist kaugemale – täpselt nii peabki juhtuma, et lind saaks teha hingematva manöövri.
Kui lennundusinsenerid kavandavad lennukeid, määravad nad soovitud jõudluse saavutamiseks staatilised marginaalid. Kuid erinevalt lennukitest võivad linnud oma tiibu liigutada ja kehaasendeid nihutada, muutes seeläbi nende staatilisi piire. Seetõttu hindasid Harvey ja tema meeskond ka seda, kuidas iga linnu omane stabiilsus erinevates tiivakonfiguratsioonides muutus.
Tegelikult võtsid Harvey ja tema kolleegid raamistiku, mis on "väga sarnane sellega, mida me õhusõidukite jaoks teeme" ja kohandasid seda lindudele. Aimy Wissa, Princetoni ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika dotsent, kes kirjutas oma töö kohta kommentaari loodus.
Paindlik lend
Kui sulelised terapoodidinosaurused umbes 160 miljonit aastat tagasi õhku lendasid, olid nad piiratud lendurid, lehvisid vaid lühikestel vahemaadel või väikeste puhangutena. Kuid ainult mõne erandiga on nendest dinosaurustest pärit enam kui 10,000 XNUMX linnuliiki arenenud erakordseteks lennumasinateks, mis on võimelised graatsiliselt liuglema ja akrobaatilisi manöövreid tegema. Selline manööverdusvõime nõuab ebastabiilsuse kontrollitud ärakasutamist ja seejärel sellest väljumist.
Kuna tänapäevased linnud on nii manööverdatavad, eeldasid bioloogid, et nad on muutunud üha ebastabiilsemaks. "Usuti, et linnud, nagu hävitajad, lihtsalt kalduvad nendesse ebastabiilsustesse, et neid tõeliselt kiireid manöövreid sooritada," ütles Harvey. "Ja seepärast lendavad linnud nii, et me ei saa veel päriselt paljuneda."
Kuid teadlased leidsid, et ainult üks nende vaadeldavatest liikidest, faasan, oli täiesti ebastabiilne. Neli liiki olid täiesti stabiilsed ja 17 liiki, sealhulgas tiivad ja tuvid, suutsid tiibu muutes stabiilse ja ebastabiilse lennu vahel lülituda. "Tõesti, see, mida me näeme, on see, et need linnud suudavad nihkuda sellise rohkem hävitaja-reaktiivlennuki- ja reisilennukilaadse stiili vahel," ütles Harvey.
Tema meeskonna edasine matemaatiline modelleerimine näitas, et lindude ebastabiilsuse suurendamise asemel on evolutsioon säilitanud nende stabiilsuse ja ebastabiilsuse potentsiaali. Kõigi uuritud lindude puhul leidis Harvey meeskond tõendeid selle kohta, et valikusurve säilitas samaaegselt staatilised marginaalid, mis võimaldasid mõlemat. Selle tulemusena on lindudel võimalus lülituda stabiilselt režiimilt ebastabiilsele ja tagasi, muutes vastavalt vajadusele oma lennuomadusi.
Kaasaegsed lennukid ei saa seda teha mitte ainult seetõttu, et nende aerodünaamilised ja inertsiaalsed omadused on rohkem fikseeritud, vaid seetõttu, et neil oleks vaja kahte väga erinevat juhtimisalgoritmi. Ebastabiilne lend tähendab pidevat paranduste tegemist, et vältida allakukkumist. Linnud peavad tegema midagi sarnast ja "seal peab olema teatud tunnetuse tase", ütles Reed Bowman, käitumuslik ökoloog ja lindude ökoloogia programmi direktor Archboldi bioloogilises jaamas Floridas.
"Inimesed on püüdnud mõista lindude päritolu nii kaua, kui inimesed on evolutsiooni uurinud – ja peamiseks takistuseks on olnud lennu keerukus ja meie suutmatus seda dekonstrueerida," ütles ta. Matthew Carrano, Dinosauria kuraator Smithsoniani Instituudi paleobioloogia osakonnas.
Teda üllatab kõige rohkem mitte see, et lindudel on sellised võimed stabiilse ja ebastabiilse lennurežiimi vahel liikuda; see on see, et mõned liigid, nagu faasan, näivad seda mitte. Ta mõtleb, kas need liigid pole seda kunagi välja arendanud või kaotasid nad mingil hetkel oma võime, just nagu tänapäevased lennuvõimetud linnud põlvnesid nendest, kes võisid kunagi lennata.
Parema lennuki ehitamine
Paljud lindude sooritatud salto-, pöörlemis- ja kukkumismanöövrid ei ole sellised, mida keegi reisilennukis kogeda tahaks. Kuid mehitamata õhusõidukid, tuntud ka kui mehitamata õhusõidukid või droonid, on drastiliste manöövrite tegemiseks vabamad ning nende kasvav populaarsus sõjalistel, teaduslikel, meelelahutuslikel ja muudel eesmärkidel loob neile selleks rohkem võimalusi.
"See on suur samm manööverdatavate UAV-de loomise suunas," ütles Bhattacharya, kes Harvey uuringut nähes saatis selle kohe oma insenerirühmale. Enamik mehitamata õhusõidukeid on tänapäeval fikseeritud tiibadega lennukid, mis sobivad suurepäraselt seiremissioonideks ja põllumajanduslikel eesmärkidel, kuna suudavad lennata tõhusalt tunde ja läbida tuhandeid kilomeetreid. Küll aga napib neis harrastajate seas populaarsete habraste kvadrokopterite droonide manööverdusvõimet. Teadlased aadressil Aerobuss ja NASA unistavad uudseid tiibadega lennukite disainilahendusi, mis võiksid jäljendada lindude uskumatuid manööverdamisandmeid.
Taylor ja tema meeskond loodavad analüüsida, kuidas linnud omandavad lendama õppides oskuse täita keerulisi ülesandeid. Kui teadlased suudavad neid manöövreid tõesti mõista, võivad insenerid kunagi lisada tehisintellekti uute lendlehtede kujundamisse, võimaldades neil matkida bioloogiat mitte ainult välimuse, vaid ka lennukäitumise õppimise võime osas.
California Davise ülikoolis oma uut laboratooriumi rajades otsustab Harvey endiselt, kus asuvad tema tulevased uuringud alates lindude lendu käsitlevatest alusuuringutest kuni droonide ja lennukite projekteerimise ja valmistamiseni. Kuid kõigepealt töötab ta selle nimel, et luua meeskond inseneri- ja bioloogiaüliõpilastest, kes on sama kirglikud töötama kahe väga erineva valdkonna piiril kui tema.
"Ma ei usu, et ma inseneriteaduses täielikult õitsesin," ütles Harvey. Kui ta alustas tööd bioloogiaga, tundis ta, et võiks olla loovam. Nüüd veedab ta paljude oma insenerikolleegide meelehärmiks pikki tunde linnufiguuride täiustamise nimel. "Ma veedan poole oma ajast joonistades," ütles ta. "See on tõesti muutnud minu vaatenurka."
