تجزیه و تحلیل هندسی نشان می دهد که چگونه پرندگان بر پرواز مسلط شدند

در اتاقی مستطیلی که با توری استتار پوشانده شده بود، چهار شاهین هریس به نوبت بین صندلی های پوشیده از چمن به جلو و عقب پرواز می کردند در حالی که دانشمندان تک تک تکان های بیومکانیکی آنها را ضبط می کردند. پژوهشگران در تلاشی که از دیرباز برای تماشای پرواز پرندگان انجام می‌شد مشارکت داشتند - اگرچه در این آزمایش، علاقه واقعی آنها تماشای فرود آنها بود.

در بیش از 1,500 پرواز بین صندلی‌ها، چهار شاهین تقریباً همیشه یک مسیر را طی کردند - نه سریع‌ترین یا کم مصرف‌ترین مسیر، بلکه مسیری که به آنها امکان می‌داد با خیال راحت‌تر و با بیشترین کنترل روی زمین نشسته باشند. مانند گراهام تیلور، استاد زیست شناسی ریاضی در دانشگاه آکسفورد و همکارانش اخیراً شرح داده شده است in طبیعتشاهین ها در یک کمان U شکل پرواز می کردند، به سرعت بال های خود را تکان می دادند تا به شیرجه بروند، سپس با سر خوردن به شدت به سمت بالا حرکت کردند و بال های خود را دراز کردند تا پیشرفت خود را کاهش دهند و قبل از اینکه بر روی صندلی بچسبند.

گفت: تماشای آنها به طرز شگفت انگیزی بیگانه است لیدیا فرانسه، یک دانشمند داده های تحقیقاتی در موسسه آلن تورینگ و یک محقق فوق دکترا در دانشگاه آکسفورد که آزمایش ها را طراحی و به اجرای آنها کمک کرد. توانایی شاهین ها برای فرود آمدن با توقف تقریباً در هوا با همتایان مکانیکی آنها بی نظیر است.

گفت: "تکامل یک وسیله پرنده بسیار پیچیده‌تر از آنچه ما تاکنون قادر به مهندسی آن بوده‌ایم ایجاد کرده است." سامیک باتاچاریااستادیار آزمایشگاه مکانیک سیالات تجربی در دانشگاه فلوریدا مرکزی. دلایلی که هواپیماهای امروزی نمی توانند با مانور پرندگان مطابقت داشته باشند، صرفاً یک موضوع مهندسی نیست. اگرچه پرندگان در طول تاریخ به دقت مشاهده شده‌اند و از طرح‌های لئوناردو داوینچی و دیگران برای ماشین‌های پرنده در طول قرن‌ها الهام گرفته‌اند، بیومکانیکی که مانورپذیری پرندگان را ممکن می‌کند تا حد زیادی یک راز بوده است.

A مطالعه برجسته منتشر شده در مارس گذشته در طبیعتبا این حال، شروع به تغییر آن کرده است. برای تحقیقات دکترای خود در دانشگاه میشیگان، کریستینا هاروی و همکارانش دریافتند که بیشتر پرندگان می‌توانند بال‌های خود را در میانه پرواز تغییر دهند تا بین پرواز نرم مانند یک هواپیمای مسافربری و پرواز آکروباتیک مانند یک جت جنگنده به جلو و عقب برگردند. کار آنها روشن می‌کند که پرندگان می‌توانند هم ویژگی‌های آیرودینامیکی را که بر نحوه حرکت هوا بر روی بال‌هایشان حاکم است و هم ویژگی‌های اینرسی بدنشان را که تعیین می‌کند در هوا برای تکمیل مانورهای سریع تعیین می‌کند، تغییر دهند.

این اکتشافات عوامل بزرگ و قبلاً ناشناخته‌ای را شناسایی کردند که به مهارت هوازی پرندگان کمک می‌کردند و برخی از فشارهای تکاملی را نشان دادند که باعث می‌شد پرندگان در پرواز مهارت داشته باشند. آن‌ها همچنین به طراحی مجدد نقشه‌هایی کمک می‌کنند که مهندسان آینده ممکن است هنگام تلاش برای طراحی هواپیماهایی به اندازه پرندگان قابل مانور و سازگاری دنبال کنند.

هاروی که در مقطع کارشناسی در رشته مهندسی مکانیک تحصیل کرده است، مطالعات خود در مورد پرواز پرندگان را به عنوان "کمیت کردن چیزی که به نظر من شبیه جادو است" توصیف می کند. او در اوایل کار خود، قبل از انتقال از مهندسی به زیست‌شناسی، هرگز فکر نمی‌کرد که او کسی باشد که می‌خواهد اسرار پرندگان را تشخیص دهد.

هندسه پرندگان

هاروی گفت: «من حتی عادت نداشتم که پرندگان را دوست داشته باشم. با این حال، یک روز در سال 2016، او روی یک طاقچه سنگی در پارکی در نزدیکی دانشگاه بریتیش کلمبیا نشست، پس از یک پیاده‌روی کوتاه استراحت کرد و به این فکر کرد که به عنوان دانشجوی تازه منصوب شده کارشناسی ارشد در یک آزمایشگاه زیست‌شناسی، چه پروژه‌ای را دنبال کند. او که توسط مرغان دریایی احاطه شده بود، فکر کرد: "آنها واقعاً باحال پرواز می کنند، اگر از آزاردهنده بودن آنها چشم پوشی کنید."

مرغ دریایی به سرعت به پرنده‌ای تبدیل شد که او آن را «جرقه» می‌نامد، و به زودی از اجتناب از آن‌ها صرف نظر کرد و تلاش کرد تا قدرت پروازشان را بیشتر بفهمد. اما همانطور که هاروی بیشتر در ادبیات تحقیق می کرد، متوجه شد که شکاف های بزرگی در دانش ما در مورد نحوه پرواز پرندگان وجود دارد.

او عمیقاً الهام گرفت یک مطالعه 2001 که تیلور در زمانی که دکترای خود را در آکسفورد دنبال می کرد، آن را تالیف کرده بود. مقاله تیلور اولین مقاله ای بود که یک زمینه نظری برای چگونگی دستیابی پرندگان و سایر حیوانات پرنده به ثبات ارائه کرد، ویژگی که آنها را از سوق دادن آنها در جهت اشتباه باز می دارد.

تیلور توضیح داد که ثبات از ترکیبی از ثبات ذاتی، یا مقاومت ذاتی در برابر آشفتگی ها، و کنترل، یک توانایی فعال برای تغییر پاسخ ها به اغتشاشات ناشی می شود. ثبات ذاتی چیزی است که یک هواپیمای کاغذی خوب دارد. کنترل قدرت یک هواپیمای جنگنده نسل پنجم است. تحقیقات سال 2001 نشان داد که ثبات ذاتی نقش مهم تری در پرواز پرندگان نسبت به آنچه عموماً تصور می شد بازی می کند.

به زودی پس از خواندن مقاله تیلور، هاروی کار دکتری خود را بر توسعه اولین معادلات دینامیکی پایداری در پرواز پرندگان متمرکز کرد. او گفت: «ما همه این معادلات را برای هواپیما داریم. "من آنها را برای پرواز پرنده می خواستم."

هاروی متوجه شد که برای درک پایداری و ناپایداری پرواز پرندگان و چالش‌هایی که پرندگان در کنترل آنها با آن مواجه هستند، او و تیمش باید تمام ویژگی‌های اینرسی پرندگان را ترسیم کنند، چیزی که مطالعات قبلی عمدتاً نادیده گرفته شده یا به عنوان بی‌اهمیت تلقی می‌شود. خواص اینرسی مربوط به جرم پرنده و نحوه توزیع آن است، برخلاف خواص آیرودینامیکی که روی پرنده در حال حرکت عمل می کند.

هاروی و تیمش 36 جسد پرنده یخ زده - که نماینده 22 گونه بسیار متفاوت بودند - از موزه تنوع زیستی Beaty در دانشگاه بریتیش کلمبیا در ونکوور، کانادا جمع آوری کردند. آن‌ها جسدها را تا هر پر جدا کردند، طول، وزن و طول بال‌ها را اندازه‌گیری کردند و بال‌ها را به‌صورت دستی دراز و منقبض کردند تا دامنه حرکت آرنج‌ها و مچ‌های پرندگان را مشخص کنند.

آنها یک برنامه مدل سازی جدید نوشتند که انواع مختلف بال، استخوان، ماهیچه، پوست و پر را به عنوان ترکیبی از صدها شکل هندسی نشان می داد. این نرم افزار به آنها اجازه می دهد تا ویژگی های مربوطه مانند مرکز ثقل و "نقطه خنثی" که مرکز آیرودینامیکی پرنده در پرواز است را محاسبه کنند. سپس آن‌ها این ویژگی‌ها را برای هر پرنده با بال‌هایش به شکل‌های مختلف تعیین کردند.

برای تعیین کمیت ثبات و قدرت مانور هر پرنده، آنها یک عامل آیرودینامیکی به نام حاشیه استاتیک، فاصله بین مرکز ثقل و نقطه خنثی آن نسبت به ابعاد بال را محاسبه کردند. اگر نقطه خنثی یک پرنده در پشت مرکز ثقل آن قرار داشت، آن‌ها پرنده را ذاتاً پایدار می‌دانستند، به این معنی که پرنده در حال پرواز اگر از تعادل خارج شود، طبیعتاً به مسیر پرواز اولیه خود باز می‌گردد. اگر نقطه خنثی در جلوی مرکز ثقل بود، در این صورت پرنده ناپایدار بود و از موقعیتی که در آن قرار داشت رانده می شد - این دقیقا همان چیزی است که باید اتفاق بیفتد تا یک پرنده بتواند یک مانور نفس گیر انجام دهد.

هنگامی که مهندسان هوانوردی هواپیماها را طراحی می کنند، حاشیه های ثابت را برای دستیابی به عملکرد مطلوب تعیین می کنند. اما پرندگان، بر خلاف هواپیما، می توانند بال های خود را حرکت دهند و وضعیت بدن خود را تغییر دهند و در نتیجه حاشیه های ساکن خود را تغییر دهند. بنابراین هاروی و تیم او همچنین چگونگی تغییر ثبات ذاتی هر پرنده در پیکربندی‌های مختلف بال را ارزیابی کردند.

در واقع، هاروی و همکارانش چارچوبی را انتخاب کردند که "بسیار شبیه کاری است که ما برای هواپیما انجام می دهیم" و آن را با پرندگان تطبیق دادند. ایمی ویسااستادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه پرینستون که شرحی بر کار آنها نوشت طبیعت.

پرواز انعطاف پذیر

زمانی که دایناسورهای تراپود پردار تقریباً 160 میلیون سال پیش خود را به هوا پرتاب کردند، پروازهای محدودی داشتند و فقط در فواصل کوتاه یا در فوران های کوچک بال می زدند. اما به جز چند استثنا، بیش از 10,000 گونه پرنده از نسل آن دایناسورها به ماشین‌های پروازی خارق‌العاده تبدیل شده‌اند که قادر به سر خوردن و مانورهای آکروباتیک هستند. این نوع مانورپذیری مستلزم بهره‌گیری کنترل‌شده از بی‌ثباتی و سپس خروج از آن است.

از آنجایی که پرندگان مدرن بسیار قابل مانور هستند، زیست شناسان تصور می کردند که آنها بیش از پیش ناپایدار شده اند. هاروی می‌گوید: «اعتقاد بر این بود که پرندگان، مانند جت‌های جنگنده، برای انجام این مانورهای بسیار سریع به این ناپایداری‌ها تکیه می‌دهند. و به همین دلیل است که پرندگان به این شکل پرواز می کنند که ما هنوز نمی توانیم آن را کاملاً تکرار کنیم.

اما محققان دریافتند که تنها یکی از گونه هایی که به آن نگاه کردند، قرقاول، کاملاً ناپایدار بود. چهار گونه کاملاً پایدار بودند و 17 گونه - از جمله سوئیفت‌ها و کبوترها - می‌توانستند با تغییر شکل بال‌های خود بین پرواز پایدار و ناپایدار جابه‌جا شوند. هاروی می‌گوید: «در واقع، چیزی که ما می‌بینیم این است که این پرندگان می‌توانند بین آن نوع بیشتر شبیه به جت‌های جنگنده و سبک‌هایی شبیه جت‌های مسافربری جابجا شوند.

مدل‌سازی ریاضی بیشتر توسط تیم او نشان داد که تکامل به جای افزایش بی‌ثباتی پرندگان، پتانسیل آن‌ها را برای ثبات و بی‌ثباتی حفظ کرده است. در تمام پرندگان مورد مطالعه، تیم هاروی شواهدی پیدا کرد که نشان می‌داد فشار انتخاب به طور همزمان حاشیه‌های ساکن را حفظ می‌کرد که هر دو را فعال می‌کرد. در نتیجه، پرندگان این توانایی را دارند که از حالت پایدار به حالت ناپایدار رفته و به عقب برگردند و در صورت نیاز ویژگی های پرواز خود را تغییر دهند.

هواپیماهای مدرن نمی توانند این کار را انجام دهند، نه فقط به این دلیل که ویژگی های آیرودینامیکی و اینرسی آنها ثابت تر است، بلکه به این دلیل که به دو الگوریتم کنترل بسیار متفاوت نیاز دارند. پرواز ناپایدار به معنای انجام مداوم اصلاحات برای جلوگیری از سقوط است. پرندگان باید کاری مشابه انجام دهند و "باید سطحی از شناخت در آن دخیل باشد." رید بومناکولوژیست رفتاری و مدیر برنامه اکولوژی پرندگان در ایستگاه بیولوژیکی آرچبولد در فلوریدا.

تا زمانی که مردم در حال مطالعه تکامل بودند، مردم در تلاش برای درک منشأ پرندگان بوده‌اند - و یک مانع بزرگ، پیچیدگی پرواز و ناتوانی ما در تخریب آن بوده است. متیو کارانو، متصدی دایناسوریا در بخش دیرین زیست شناسی موسسه اسمیتسونیان.

آنچه او را بیش از همه شگفت زده می کند این نیست که پرندگان این توانایی را دارند که بین حالت های پرواز پایدار و ناپایدار جابجا شوند. این است که برخی از گونه ها، مانند قرقاول، ظاهرا این کار را نمی کنند. او متعجب است که آیا آن گونه‌ها هرگز آن را تکامل نداده‌اند یا در نقطه‌ای توانایی خود را از دست داده‌اند، درست همانطور که پرندگان مدرن بدون پرواز از پرندگانی که زمانی می‌توانستند پرواز کنند، به وجود آمده‌اند.

ساخت هواپیمای بهتر

بسیاری از مانورهای سالتو، چرخش و سقوط که پرندگان بر آن مسلط شده اند، مانورهایی نیستند که کسی بخواهد در هواپیمای مسافربری تجربه کند. اما وسایل نقلیه هوایی بدون خدمه، که به عنوان پهپاد یا پهپاد نیز شناخته می شوند، برای انجام مانورهای شدید آزادتر هستند و محبوبیت روزافزون آنها برای مصارف نظامی، علمی، تفریحی و سایر موارد، فرصت های بیشتری را برای آنها ایجاد می کند.

بهتاچاریا که با دیدن مطالعه هاروی، فوراً آن را برای گروه مهندسی خود فرستاد، گفت: «این گامی عالی برای تولید پهپادهای قابل مانور بیشتر است. اکثر پهپادهای امروزی هواپیماهای بال ثابت هستند که برای ماموریت های نظارتی و اهداف کشاورزی عالی هستند زیرا می توانند ساعت ها به طور موثر پرواز کنند و هزاران کیلومتر را طی کنند. با این حال، آنها فاقد قابلیت مانور کوادکوپترهای شکننده پهپادهای محبوب در میان علاقه‌مندان هستند. محققان در ایرباس و ناسا در حال رویای طرح‌های جدید برای هواپیماهای بالدار هستند که می‌توانند استعدادهای مانور باورنکردنی پرندگان را تقلید کنند.

تیلور و تیمش امیدوارند تجزیه و تحلیل کنند که چگونه پرندگان توانایی انجام کارهای پیچیده را در حین یادگیری پرواز به دست می آورند. اگر محققین واقعاً بتوانند این مانورها را درک کنند، مهندسان ممکن است روزی هوش مصنوعی را در طراحی پروازهای جدید بگنجانند و آنها را قادر می سازد تا زیست شناسی را نه تنها از نظر ظاهری، بلکه در توانایی خود برای یادگیری رفتارهای پروازی تقلید کنند.

هاروی در حالی که آزمایشگاه جدید خود را در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس راه اندازی می کند، هنوز در حال تصمیم گیری است که تحقیقات آینده او بر روی طیفی از تحقیقات اولیه در پرواز پرندگان گرفته تا طراحی و ساخت هواپیماهای بدون سرنشین و هواپیماها باشد. اما ابتدا، او در تلاش است تا تیمی از دانشجویان مهندسی و زیست شناسی بسازد که به همان اندازه مشتاق کار در مرز دو رشته بسیار متفاوت هستند.

هاروی گفت: «فکر نمی‌کنم که در مهندسی کاملاً شکوفا شده باشم. هنگامی که او در لبه زیست شناسی شروع به کار کرد، احساس کرد که می تواند خلاق تر باشد. در حال حاضر، با ناراحتی بسیاری از همکاران مهندسی خود، او ساعت های طولانی را صرف کار بر روی کامل کردن پیکره های پرنده می کند. او گفت: "نیمی از وقتم را صرف نقاشی می کنم." "این واقعا دیدگاه من را تغییر داد."