Dans une pièce rectangulaire drapée d’un filet de camouflage, quatre faucons de Harris volaient à tour de rôle entre des perchoirs recouverts d’herbe pendant que les scientifiques enregistraient chacun de leurs battements biomécaniques. Les chercheurs participaient à la quête séculaire consistant à observer les oiseaux voler – même si dans cette expérience, leur véritable intérêt était de les regarder atterrir.
Au cours de plus de 1,500 XNUMX vols entre les perchoirs, les quatre faucons ont presque toujours emprunté le même chemin – pas le plus rapide ou le plus économe en énergie, mais celui qui leur permettait de se percher de la manière la plus sûre et avec le plus de contrôle. Comme Graham Taylor, professeur de biologie mathématique à l'Université d'Oxford, et ses collègues décrit récemment in Nature, les faucons volaient selon un arc en forme de U, battant rapidement des ailes pour accélérer et plonger, puis plongeant brusquement vers le haut en plané, étendant leurs ailes pour ralentir leur progression avant de s'accrocher au perchoir.
"Les regarder est fascinantement extraterrestre", a déclaré Lydie France, chercheur en données à l'Institut Alan Turing et chercheur postdoctoral à l'Université d'Oxford qui a conçu et aidé à mener les expériences. La capacité des faucons à atterrir en s'arrêtant presque dans les airs est inégalée par leurs homologues mécaniques.
"L'évolution a créé un appareil volant bien plus compliqué que ce que nous avons jamais pu concevoir", a déclaré Samik Bhattacharya, professeur adjoint au laboratoire expérimental de mécanique des fluides de l'Université de Floride centrale. Les raisons pour lesquelles les avions d’aujourd’hui ne peuvent pas égaler la maniabilité des avions ne sont pas simplement une question d’ingénierie. Bien que les oiseaux aient été méticuleusement observés tout au long de l’histoire et aient inspiré les conceptions de machines volantes de Léonard de Vinci et d’autres au fil des siècles, la biomécanique qui rend la maniabilité des oiseaux possible reste en grande partie un mystère.
A étude historique publié en mars dernier dans Nature, cependant, a commencé à changer cela. Pour ses recherches doctorales à l'Université du Michigan, Christine Harvey et ses collègues ont découvert que la plupart des oiseaux peuvent transformer leurs ailes en cours de vol pour alterner entre un vol fluide comme un avion de ligne et un vol acrobatique comme un avion de combat. Leurs travaux montrent clairement que les oiseaux peuvent complètement modifier à la fois les caractéristiques aérodynamiques qui régissent la façon dont l'air se déplace sur leurs ailes et les caractéristiques inertielles de leur corps qui déterminent la façon dont ils se déplacent dans les airs pour effectuer des manœuvres rapides.
Ces découvertes ont identifié d’importants facteurs jusqu’alors inconnus contribuant aux prouesses acrobatiques des oiseaux et ont révélé certaines des pressions évolutives qui ont rendu les oiseaux si compétents en vol. Ils contribuent également à redessiner les plans que pourraient suivre les futurs ingénieurs lorsqu’ils tenteront de concevoir des avions aussi maniables et adaptables que les oiseaux parviennent à l’être, apparemment avec une grâce sans effort, mais en s’appuyant sur des ressources physiques et mentales formidablement rapides que nous commençons tout juste à apprécier.
Harvey, qui a étudié le génie mécanique au premier cycle, décrit ses études sur le vol des oiseaux comme « quantifiant quelque chose qui, pour moi, ressemble à de la magie ». Au début de sa carrière, avant de passer de l’ingénierie à la biologie, elle n’aurait jamais pensé que ce serait elle qui tenterait de percer les secrets des oiseaux.
La géométrie des oiseaux
«Je n'aimais même pas les oiseaux», a déclaré Harvey. Pourtant, un jour de 2016, elle était assise sur un rebord rocheux dans un parc près de l’Université de la Colombie-Britannique, se reposant après une courte randonnée et réfléchissant au projet à poursuivre en tant qu’étudiante à la maîtrise nouvellement nommée dans un laboratoire de biologie. Entourée de mouettes, elle pensa : « Ils volent vraiment bien, si on ignore à quel point ils sont ennuyeux. »
La mouette est rapidement devenue ce qu’elle appelle son oiseau « étincelle », et elle a rapidement renoncé à les éviter pour essayer de mieux comprendre leur puissance de vol. Mais au fur et à mesure que Harvey approfondissait la littérature, elle s'est rendu compte qu'il existait des lacunes majeures dans nos connaissances sur la façon dont les oiseaux volent.
Elle a été profondément inspirée par une étude 2001 que Taylor avait co-écrit alors qu'il poursuivait son doctorat à Oxford. L’article de Taylor a été le premier à poser les bases théoriques de la façon dont les oiseaux et autres animaux volants parviennent à la stabilité, la caractéristique qui les empêche d’être poussés dans la mauvaise direction.
La stabilité, a expliqué Taylor, vient d'une combinaison de stabilité inhérente, ou résistance innée aux perturbations, et de contrôle, une capacité active à modifier les réponses aux perturbations. La stabilité inhérente est ce que possède un bon avion en papier ; le contrôle est le point fort d’un avion de combat de cinquième génération. Les recherches de 2001 ont montré que la stabilité inhérente jouait un rôle plus important dans le vol des oiseaux qu'on ne le pensait généralement.
Peu de temps après avoir lu l’article de Taylor, Harvey a concentré ses travaux de doctorat sur le développement des premières équations dynamiques de stabilité lors du vol des oiseaux. « Nous avons toutes ces équations pour les avions », a-t-elle déclaré. "Je les voulais pour le vol des oiseaux."
Pour comprendre la stabilité et l'instabilité du vol des oiseaux et les défis auxquels les oiseaux sont confrontés pour les contrôler, Harvey a réalisé qu'elle et son équipe devaient cartographier toutes les propriétés inertielles des oiseaux, ce que les études précédentes ont largement ignoré ou traité comme sans importance. Les propriétés inertielles sont liées à la masse d’un oiseau et à la façon dont elle est distribuée, contrairement aux propriétés aérodynamiques qui agissent sur un oiseau en mouvement.
Harvey et son équipe ont rassemblé 36 cadavres d'oiseaux congelés – représentant 22 espèces très différentes – du Beaty Biodiversity Museum de l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada. Ils ont disséqué les cadavres jusqu’à chaque plume, ont pris des mesures de longueur, de poids et d’envergure, et ont étendu et contracté manuellement les ailes pour déterminer l’amplitude de mouvement des coudes et des poignets des oiseaux.
Ils ont écrit un nouveau programme de modélisation qui représentait différents types d'ailes, d'os, de muscles, de peau et de plumes sous la forme de combinaisons de centaines de formes géométriques. Le logiciel leur a permis de calculer des caractéristiques pertinentes telles que le centre de gravité et le « point neutre » qui est le centre aérodynamique de l'oiseau en vol. Ils ont ensuite déterminé ces propriétés pour chaque oiseau avec ses ailes configurées dans diverses formes.
Pour quantifier la stabilité et la maniabilité de chaque oiseau, ils ont calculé un facteur aérodynamique appelé marge statique, la distance entre son centre de gravité et son point neutre par rapport aux dimensions de l’aile. Si le point neutre d’un oiseau se trouvait derrière son centre de gravité, ils considéraient que l’oiseau était intrinsèquement stable, ce qui signifie que l’oiseau en vol reviendrait naturellement à sa trajectoire de vol d’origine s’il était déséquilibré. Si le point neutre était devant le centre de gravité, alors l’oiseau était instable et serait poussé plus loin de la position dans laquelle il se trouvait – ce qui est exactement ce qui doit arriver pour qu’un oiseau soit capable d’effectuer une manœuvre à couper le souffle.
Lorsque les ingénieurs aéronautiques conçoivent des avions, ils fixent les marges statiques pour atteindre les performances souhaitées. Mais les oiseaux, contrairement aux avions, peuvent bouger leurs ailes et modifier la posture de leur corps, modifiant ainsi leurs marges statiques. Harvey et son équipe ont donc également évalué comment la stabilité inhérente de chaque oiseau changeait selon différentes configurations d'ailes.
En effet, Harvey et ses collègues ont adopté un cadre « très similaire à ce que nous faisons pour les avions » et l’ont adapté aux oiseaux, a déclaré Aimy Wissa, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Princeton qui a écrit un commentaire sur leurs travaux pour Nature.
Vol flexible
Lorsque les dinosaures thérapodes à plumes se sont lancés dans les airs il y a environ 160 millions d’années, ils volaient de manière limitée, ne voletant que sur de courtes distances ou par petites rafales. Mais à quelques exceptions près, les plus de 10,000 XNUMX espèces d’oiseaux descendant de ces dinosaures ont évolué pour devenir d’extraordinaires machines volantes, capables de vol plané gracieux et de manœuvres acrobatiques. Ce type de maniabilité nécessite de tirer parti de l’instabilité de manière contrôlée, puis de s’en sortir.
Parce que les oiseaux modernes sont très maniables, les biologistes ont supposé qu’ils avaient évolué pour devenir de plus en plus instables. "On pensait que les oiseaux, comme les avions de combat, se penchaient simplement sur ces instabilités pour effectuer ces manœuvres très rapides", a déclaré Harvey. "Et c'est pourquoi les oiseaux volent de cette manière que nous ne pouvons pas encore reproduire."
Mais les chercheurs ont découvert qu’une seule des espèces étudiées, le faisan, était complètement instable. Quatre espèces étaient complètement stables et 17 espèces – dont des martinets et des pigeons – pouvaient basculer entre un vol stable et instable en transformant leurs ailes. "En réalité, ce que nous constatons, c'est que ces oiseaux sont capables de passer d'un style plus proche d'un avion de chasse à un style plus proche d'un avion de ligne", a déclaré Harvey.
Une modélisation mathématique plus poussée réalisée par son équipe suggère que plutôt que d’accroître l’instabilité des oiseaux, l’évolution a préservé leur potentiel de stabilité et d’instabilité. Chez tous les oiseaux étudiés, l’équipe de Harvey a trouvé des preuves que les pressions de sélection maintenaient simultanément des marges statiques qui permettaient les deux. En conséquence, les oiseaux ont la capacité de passer d’un mode stable à un mode instable et vice-versa, modifiant ainsi leurs propriétés de vol selon les besoins.
Les avions modernes ne peuvent pas faire cela, non seulement parce que leurs caractéristiques aérodynamiques et inertielles sont plus fixes, mais aussi parce qu’ils auraient besoin de deux algorithmes de contrôle très différents. Un vol instable signifie apporter constamment des corrections pour éviter de s’écraser. Les oiseaux doivent faire quelque chose de similaire et "il doit y avoir un certain niveau de cognition impliqué dans cela", a déclaré Reed Bowman, écologiste comportemental et directeur du programme d'écologie aviaire à la station biologique d'Archbold en Floride.
"Les gens tentent de comprendre l'origine des oiseaux depuis aussi longtemps qu'ils étudient l'évolution – et un obstacle majeur est la complexité du vol et notre incapacité à le déconstruire", a déclaré Matthieu Carrano, conservateur des dinosaures au département de paléobiologie de la Smithsonian Institution.
Ce qui le surprend le plus, ce n’est pas que les oiseaux aient cette capacité à passer d’un mode de vol stable à un mode instable ; c’est que certaines espèces, comme le faisan, ne semblent pas le faire. Il se demande si ces espèces n’ont jamais développé cette capacité ou si elles ont perdu cette capacité à un moment donné, tout comme les oiseaux modernes incapables de voler descendent de ceux qui pouvaient autrefois voler.
Construire de meilleurs avions
La plupart des manœuvres de saut périlleux, de vrille et de chute que les oiseaux maîtrisent ne sont pas celles que quiconque voudrait expérimenter dans un avion de ligne. Mais les véhicules aériens sans équipage, également appelés drones ou drones, sont plus libres d’effectuer des manœuvres drastiques, et leur popularité croissante à des fins militaires, scientifiques, récréatives et autres leur crée davantage de possibilités de le faire.
"C'est un grand pas vers la génération de drones plus maniables", a déclaré Bhattacharya, qui, après avoir vu l'étude de Harvey, l'a immédiatement envoyée à son groupe d'ingénierie. Aujourd'hui, la plupart des drones sont des avions à voilure fixe, parfaits pour les missions de surveillance et à des fins agricoles, car ils peuvent voler efficacement pendant des heures et parcourir des milliers de kilomètres. Cependant, ils n’ont pas la maniabilité des fragiles drones quadricoptères populaires parmi les amateurs. Des chercheurs à Airbus ainsi que NASA imaginent de nouveaux modèles d'avions ailés qui pourraient imiter certains des incroyables talents de manœuvre des oiseaux.
Taylor et son équipe espèrent analyser comment les oiseaux acquièrent la capacité d'effectuer des tâches complexes tout en apprenant à voler. Si les chercheurs parviennent réellement à comprendre ces manœuvres, les ingénieurs pourraient un jour inclure l’IA dans la conception de nouveaux avions, leur permettant d’imiter la biologie non seulement en apparence, mais aussi dans leur capacité à apprendre les comportements de vol.
Alors qu'elle installe son nouveau laboratoire à l'Université de Californie à Davis, Harvey est encore en train de décider où se situeront ses futures recherches, depuis la recherche fondamentale sur le vol des oiseaux jusqu'à la conception et la fabrication de drones et d'avions. Mais d’abord, elle travaille à bâtir une équipe d’étudiants en génie et en biologie qui sont tout aussi passionnés qu’elle par le travail à la frontière de deux domaines très différents.
"Je ne pense pas que je m'épanouissais entièrement dans le domaine de l'ingénierie", a déclaré Harvey. Lorsqu’elle a commencé à travailler à la limite de la biologie, elle a senti qu’elle pouvait être plus créative. Aujourd’hui, au grand désarroi de nombre de ses collègues ingénieurs, elle passe de longues heures à perfectionner les figures d’oiseaux. «Je passe la moitié de mon temps à dessiner», dit-elle. "Cela a vraiment changé ma perspective."
