Suorakaiteen muotoisessa huoneessa, joka oli peitetty naamiointiverkolla, neljä Harrisin haukkaa lensi vuorotellen edestakaisin nurmikon peittämien ahvenen välillä, kun taas tutkijat tallensivat jokaisen biomekaanisen lepatuksensa. Tutkijat osallistuivat vanhaan pyrkimykseen seurata lintujen lentämistä – vaikka tässä kokeessa heidän todellinen kiinnostuksensa oli seurata niiden laskeutumista.
Yli 1,500 XNUMX ahvenen välisellä lennolla neljä haukkaa kulki lähes aina samaa polkua - ei nopeinta tai energiatehokkainta, mutta sitä, jolla he saivat ahvenen turvallisimmin ja hallitsevimmin. Kuten Graham Taylor, matemaattisen biologian professori Oxfordin yliopistosta ja hänen kollegansa kuvattu äskettäin in luonto, haukat lensivät U:n muotoisessa kaaressa, heiluttivat nopeasti siipiään kiihdyttääkseen sukellukseen, sitten jyrkästi ylöspäin liukumassa, ojentaen siipiään hidastaakseen edistymistään ennen tarttumista ahveneen.
"Niiden katseleminen on kiehtovan vierasta", sanoi Lydia Ranska, tutkimusdatan tutkija Alan Turing Institutessa ja tohtoritutkija Oxfordin yliopistossa, joka suunnitteli ja auttoi kokeiden suorittamisessa. Haukkojen kyky laskeutua melkein pysähtymällä ilmaan on vertaansa vailla mekaanisilla kollegoillaan.
"Evoluutio on luonut paljon monimutkaisemman lentävän laitteen kuin olemme koskaan pystyneet suunnittelemaan", sanoi Samik Bhattacharya, apulaisprofessori kokeellisessa nestemekaniikan laboratoriossa Keski-Floridan yliopistossa. Syyt siihen, miksi nykyiset lentokoneet eivät pysty vastaamaan lintujen ohjattavuutta, eivät ole pelkästään teknisiä. Vaikka lintuja on tarkkailtu huolellisesti läpi historian ja ne ovat inspiroineet Leonardo da Vincin ja muiden lentävien koneiden suunnittelua vuosisatojen ajan, lintujen ohjattavuuden mahdollistava biomekaniikka on ollut suurelta osin mysteeri.
A maamerkki julkaistiin viime maaliskuussa luontoon kuitenkin alkanut muuttaa asiaa. Hänen tohtoritutkimuksestaan Michiganin yliopistossa, Christina Harvey ja hänen kollegansa havaitsivat, että useimmat linnut voivat muuttaa siipiään kesken lennon kääntääkseen edestakaisin matkustajakoneen tapaan sujuvan lennon ja hävittäjäkoneen akrobaattisen lennon välillä. Heidän työnsä tekee selväksi, että linnut voivat muuttaa täysin sekä aerodynaamisia ominaisuuksia, jotka ohjaavat sitä, miten ilma liikkuu niiden siipien päällä, että kehonsa inertiaominaisuuksia, jotka määrittävät sen, kuinka ne putoavat ilmassa suorittaakseen nopeita liikkeitä.
Nämä löydöt tunnistivat suuria, aiemmin tuntemattomia tekijöitä, jotka vaikuttivat lintujen taitokykyyn, ja paljastivat joitain evoluution paineita, jotka tekivät linnuista niin taitavia lentämään. He auttavat myös laatimaan uudelleen suunnitelmia, joita tulevat insinöörit saattavat noudattaa yrittäessään suunnitella lentokoneita niin ohjattaviksi ja mukautuviksi kuin linnut pystyvät olemaan, näennäisesti vaivattomasti, mutta hyödyntäen valtavan nopeita fyysisiä ja henkisiä resursseja, joita olemme vasta alkaneet arvostaa.
Harvey, joka opiskeli konetekniikkaa perustutkinto-opiskelijana, kuvailee lintulento-opintojaan "määrittäen jotain, mikä minusta näyttää taikalta". Uransa alkuvaiheessa, ennen kuin hän siirtyi tekniikasta biologiaan, hän ei koskaan uskonut, että hän yrittää selvittää lintujen salaisuudet.
Lintujen geometria
"En edes pitänyt linnuista", Harvey sanoi. Silti eräänä päivänä vuonna 2016 hän istui kallioisella reunalla puistossa lähellä British Columbian yliopistoa, lepäsi lyhyen vaelluksen jälkeen ja pohti, mitä projektia voisi toteuttaa juuri nimitettynä maisteriopiskelijana biologian laboratorioon. Lokkien ympäröimänä hän ajatteli: "Ne lentävät todella siististi, jos ei huomioi kuinka ärsyttäviä ne ovat."
Lokkista tuli nopeasti se, jota hän kutsuu "kipinälintukseen", ja hän luopui pian niiden välttämisestä yrittäessään ymmärtää enemmän niiden lentovoimasta. Mutta kun Harvey syventyi kirjallisuuteen, hän tajusi, että lintujen lentämistä koskevissa tiedoissamme oli suuria aukkoja.
Hän oli syvästi inspiroitunut 2001 tutkimus jonka Taylor oli kirjoittanut, kun hän jatkoi tohtorintutkintoa Oxfordissa. Taylorin paperi oli ensimmäinen, joka laati teoreettisen perustan sille, kuinka linnut ja muut lentävät eläimet saavuttavat vakauden, ominaisuuden, joka estää niitä työntämästä väärään suuntaan.
Vakaus, Taylor selitti, tulee yhdistelmästä luontaista vakautta tai luontaista vastustuskykyä häiriöille ja hallintaa, aktiivista kykyä muuttaa reaktioita häiriöihin. Hyvällä paperilentokoneella on luontainen vakaus; ohjaus on viidennen sukupolven hävittäjäkoneen vahvuus. Vuoden 2001 tutkimus osoitti, että luontaisella vakaudella oli suurempi osa lintujen lentämisessä kuin yleisesti uskottiin.
Pian Taylorin artikkelin lukemisen jälkeen Harvey keskittyi väitöskirjatyönsä kehittämään ensimmäisiä dynaamisia vakausyhtälöitä lintujen lennossa. "Meillä on kaikki nämä yhtälöt lentokoneille", hän sanoi. "Halusin ne lintulennolle."
Ymmärtääkseen lintujen lennon vakauden ja epävakauden ja haasteet, joita linnut kohtaavat niiden hallitsemisessa, Harvey tajusi, että hänen ja hänen tiiminsä piti kartoittaa kaikki lintujen inertiaominaisuudet, mikä aikaisemmissa tutkimuksissa suurelta osin jätettiin huomiotta tai katsottiin merkityksettömäksi. Inertiaominaisuudet liittyvät linnun massaan ja sen jakautumiseen, toisin kuin aerodynaamiset ominaisuudet, jotka vaikuttavat liikkeessä olevaan lintuun.
Harvey ja hänen tiiminsä keräsivät 36 jäätynyttä linturuumista – jotka edustivat 22:ta hyvin erilaista lajia – Beaty Biodiversity Museumista Brittiläisen Kolumbian yliopiston Vancouverissa, Kanadassa. He leikkaavat ruumiit jokaiseen yksittäiseen höyhenen asti, mittasivat pituuden, painon ja siipien kärkivälin sekä ojensivat ja supistivat siipiä manuaalisesti selvittääkseen lintujen kyynärpäiden ja ranteiden liikeradan.
He kirjoittivat uuden mallinnusohjelman, joka edusti erityyppisiä siipiä, luita, lihaksia, ihoa ja höyheniä satojen geometristen muotojen yhdistelminä. Ohjelmiston avulla he pystyivät laskemaan olennaiset ominaisuudet, kuten painopisteen ja "neutraalin pisteen", joka on linnun aerodynaaminen keskipiste lennon aikana. Sitten he määrittelivät nämä ominaisuudet jokaiselle linnulle, jonka siivet oli muotoiltu eri muotoihin.
Kunkin linnun vakauden ja ohjattavuuden kvantifioimiseksi he laskivat aerodynaamisen tekijän, jota kutsutaan staattiseksi marginaaliksi, sen painopisteen ja neutraalin pisteen välisen etäisyyden suhteessa siiven mittoihin. Jos linnun neutraali piste oli sen painopisteen takana, he pitivät lintua luonnostaan vakaana, mikä tarkoittaa, että lentävä lintu palaisi luonnollisesti alkuperäiselle lentoradalle, jos se työnnetään pois tasapainosta. Jos neutraali piste oli painopisteen edessä, lintu oli epävakaa ja työnnettiin kauemmaksi asennosta, jossa se oli - juuri tämän täytyy tapahtua, jotta lintu pystyisi tekemään henkeäsalpaavan liikkeen.
Kun ilmailuinsinöörit suunnittelevat lentokoneita, he asettavat staattiset marginaalit halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi. Mutta linnut, toisin kuin lentokoneet, voivat liikuttaa siipiään ja muuttaa kehoaan, mikä muuttaa staattisia marginaalejaan. Siksi Harvey ja hänen tiiminsä arvioivat myös, kuinka kunkin linnun luontainen vakaus muuttui eri siipien kokoonpanoissa.
Itse asiassa Harvey ja hänen kollegansa ottivat kehyksen, joka on "erittäin samanlainen kuin mitä me teemme lentokoneille" ja mukauttivat sen lintuihin. Aimy Wissa, Princetonin yliopiston mekaniikka- ja ilmailutekniikan apulaisprofessori, joka kirjoitti kommentin työstään luonto.
Joustava lento
Kun höyhenen terapeuttiset dinosaurukset nousivat ilmaan noin 160 miljoonaa vuotta sitten, ne olivat rajoittuneita lenssiä, jotka leijuivat vain lyhyitä matkoja tai pieninä purskeina. Mutta vain muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta, yli 10,000 XNUMX lintulajia, jotka ovat peräisin noista dinosauruksista, ovat kehittyneet poikkeuksellisiksi lentokoneiksi, jotka kykenevät sulavaan luistoon ja akrobaattisiin liikkeisiin. Tällainen ohjattavuus edellyttää epävakauden hallittua hyödyntämistä – ja sitten siitä irtautumista.
Koska nykyaikaiset linnut ovat niin ohjattavia, biologit olettivat, että ne olivat kehittyneet yhä epävakaammiksi. "Uskottiin, että linnut, kuten hävittäjät, vain nojautuvat näihin epävakauksiin suorittaakseen nämä todella nopeat liikkeet", Harvey sanoi. "Ja siksi linnut lentävät tällä tavalla, jota emme vielä pysty toistamaan."
Mutta tutkijat havaitsivat, että vain yksi heidän katsomistaan lajeista, fasaani, oli täysin epävakaa. Neljä lajia oli täysin vakaita, ja 17 lajia - mukaan lukien swifts ja kyyhkyset - pystyivät vaihtamaan vakaan ja epävakaan lennon välillä siipiään muotoilemalla. "Näemme todellakin, että nämä linnut pystyvät siirtymään tällaisen enemmän hävittäjälentokoneen tyylin ja matkustajakoneen kaltaisen tyylin välillä", Harvey sanoi.
Hänen tiiminsä suorittamat matemaattiset mallit osoittivat, että evoluutio ei ole lisännyt lintujen epävakautta, vaan se on säilyttänyt niiden potentiaalin sekä vakauden että epävakauden suhteen. Kaikista tutkituista linnuista Harveyn tiimi löysi todisteita siitä, että valintapaineet ylläpisivät samanaikaisesti staattisia marginaaleja, jotka mahdollistivat molemmat. Tämän seurauksena linnut voivat siirtyä vakaasta tilasta epävakaaseen ja takaisin ja muuttaa lentoominaisuuksia tarpeen mukaan.
Nykyaikaiset lentokoneet eivät pysty siihen, ei vain siksi, että niiden aerodynaamiset ja inertiaominaisuudet ovat kiinteämpiä, vaan koska ne tarvitsisivat kaksi hyvin erilaista ohjausalgoritmia. Epävakaa lento tarkoittaa jatkuvaa korjausten tekemistä kaatumisen välttämiseksi. Lintujen täytyy tehdä jotain samanlaista, ja "siihen täytyy olla jonkinlainen kognition taso", sanoi Reed Bowman, käyttäytymisekologi ja lintuekologiaohjelman johtaja Archbold Biological Stationilla Floridassa.
"Ihmiset ovat yrittäneet ymmärtää lintujen alkuperää niin kauan kuin ihmiset ovat tutkineet evoluutiota - ja suurin este on ollut lennon monimutkaisuus ja kyvyttömyys purkaa sitä", sanoi Matthew Carrano, Dinosaurian kuraattori Smithsonian Institutionin paleobiologian osastolla.
Häntä ei yllätä eniten se, että linnuilla on nämä kyvyt siirtyä vakaan ja epävakaan lentotavan välillä; se johtuu siitä, että jotkut lajit, kuten fasaani, eivät näytä sitä. Hän ihmettelee, eivätkö kyseiset lajit koskaan kehittäneet sitä tai menettivätkö ne jossain vaiheessa kykynsä, aivan kuten nykyaikaiset lentokyvyttömät linnut polveutuivat lintuista, jotka osasivat lentää.
Parempien lentokoneiden rakentaminen
Monet lintujen omaksumista hyppy-, pyörimis- ja putoamisliikkeistä eivät ole sellaisia, joita kukaan haluaisi kokea matkustajalentokoneessa. Mutta miehittämättömät ilma-ajoneuvot, jotka tunnetaan myös nimellä UAV tai drone, ovat vapaampia tekemään rajuja liikkeitä, ja niiden kasvava suosio sotilas-, tiede-, virkistys- ja muussa käytössä luo niille lisää mahdollisuuksia tehdä niin.
"Tämä on suuri askel kohti ohjattavempien UAV:iden luomista", sanoi Bhattacharya, joka nähtyään Harveyn tutkimuksen lähetti sen välittömästi insinööriryhmälleen. Useimmat UAV:t ovat nykyään kiinteäsiipisiä lentokoneita, jotka sopivat erinomaisesti valvontatehtäviin ja maataloustarkoituksiin, koska ne voivat lentää tehokkaasti tuntikausia ja lentää tuhansia kilometrejä. Niistä puuttuu kuitenkin harrastajien suosimien hauraiden nelikopteridroneiden ohjattavuus. Tutkijat osoitteessa Lentobussi ja NASA haaveilevat uusia siivekkäitä lentokoneita, jotka voisivat jäljitellä joitain lintujen uskomattomia ohjailukykyjä.
Taylor ja hänen tiiminsä toivovat analysoivansa, kuinka linnut saavat kyvyn suorittaa monimutkaisia tehtäviä oppiessaan lentämään. Jos tutkijat todella ymmärtävät nämä liikkeet, insinöörit saattavat jonain päivänä sisällyttää tekoälyn uusien lentolehtisten suunnitteluun, jolloin he voivat jäljitellä biologiaa paitsi ulkonäöltään myös kyvystään oppia lentokäyttäytymistä.
Perustaessaan uutta laboratoriotaan Kalifornian yliopistoon Davisissa, Harvey päättää edelleen, missä hänen tulevaisuutensa tutkimus kohdistuu lintujen lentojen perustutkimuksesta droonien ja lentokoneiden suunnitteluun ja valmistukseen. Mutta ensin hän työskentelee rakentaakseen tiimin tekniikan ja biologian opiskelijoista, jotka ovat yhtä intohimoisia työskentelemään kahden hyvin erilaisen alan rajalla kuin hänkin.
"En usko, että kukoistan täysin tekniikan sisällä", Harvey sanoi. Kun hän aloitti työskentelyn biologian partaalla, hän tunsi voivansa olla luovempi. Nyt monien insinöörikollegoinsa tyrmistykseksi hän viettää pitkiä tunteja lintuhahmojen viimeistelyyn. "Vietän puolet ajastani piirtämiseen", hän sanoi. "Se on todella muuttanut näkökulmaani."
