ज्यामितीय विश्लेषण से पता चलता है कि पक्षियों ने उड़ान में कैसे महारत हासिल की

छलावरण जाल में लिपटे एक आयताकार कमरे में, चार हैरिस के बाज घास से ढके पर्चों के बीच आगे-पीछे उड़ते रहे, जबकि वैज्ञानिकों ने उनके हर बायोमैकेनिकल स्पंदन को रिकॉर्ड किया। शोधकर्ता पक्षियों को उड़ते हुए देखने के समय-सम्मानित खोज में भाग ले रहे थे - हालांकि इस प्रयोग में, उनकी वास्तविक रुचि उन्हें जमीन पर देखने में थी।

पर्चों के बीच 1,500 से अधिक उड़ानों में, चार बाज़ों ने लगभग हमेशा एक ही रास्ता अपनाया - सबसे तेज़ या सबसे अधिक ऊर्जा-कुशल नहीं, बल्कि एक जिसने उन्हें सबसे सुरक्षित और सबसे अधिक नियंत्रण के साथ पर्च करने की अनुमति दी। जैसा ग्राहम टेलर, ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में गणितीय जीव विज्ञान के प्रोफेसर और उनके सहयोगी हाल ही में वर्णित in प्रकृति, हॉक एक यू-आकार के चाप में उड़ते हैं, तेजी से अपने पंखों को फड़फड़ाते हुए एक गोता लगाने में तेजी लाते हैं, फिर तेजी से एक ग्लाइड में ऊपर की ओर झपट्टा मारते हैं, अपने पंखों को फैलाकर पर्च पर कब्जा करने से पहले अपनी प्रगति को धीमा कर देते हैं।

"उन्हें देखना आकर्षक रूप से विदेशी है," ने कहा लिडा फ्रांस, एलन ट्यूरिंग इंस्टीट्यूट में एक शोध डेटा वैज्ञानिक और ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता जिन्होंने प्रयोगों को डिजाइन और चलाने में मदद की। हवा में लगभग रुककर बाजों के उतरने की क्षमता उनके यांत्रिक समकक्षों द्वारा बेजोड़ है।

"विकास ने एक और अधिक जटिल उड़ान उपकरण बनाया है जो हम कभी भी इंजीनियर करने में सक्षम नहीं हैं," ने कहा समिक भट्टाचार्य, सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय में प्रायोगिक द्रव यांत्रिकी प्रयोगशाला में सहायक प्रोफेसर। आज के विमान के एवियन पैंतरेबाज़ी से मेल नहीं खाने के कारण केवल इंजीनियरिंग की बात नहीं है। हालांकि पक्षियों को पूरे इतिहास में सावधानी से देखा गया है और सदियों से लियोनार्डो दा विंची और अन्य लोगों द्वारा उड़ने वाली मशीनों के लिए डिजाइनों को प्रेरित किया है, बायोमैकेनिक्स जो पक्षियों की गतिशीलता को संभव बनाता है, काफी हद तक एक रहस्य रहा है।

A मील का पत्थर अध्ययन पिछले मार्च में प्रकाशित प्रकृतिहालांकि, इसे बदलना शुरू कर दिया है। मिशिगन विश्वविद्यालय में डॉक्टरेट अनुसंधान के लिए, क्रिस्टीना हार्वे और उसके सहयोगियों ने पाया कि अधिकांश पक्षी यात्री विमान की तरह सुचारू रूप से उड़ान भरने और लड़ाकू जेट की तरह एक्रोबैटिक रूप से उड़ने के बीच अपने पंखों को मध्य-उड़ान में मोड़ सकते हैं। उनका काम यह स्पष्ट करता है कि पक्षी दोनों वायुगतिकीय विशेषताओं को पूरी तरह से बदल सकते हैं जो नियंत्रित करते हैं कि हवा उनके पंखों पर कैसे चलती है और उनके शरीर की जड़त्वीय विशेषताएं जो निर्धारित करती हैं कि वे तेजी से युद्धाभ्यास को पूरा करने के लिए हवा के माध्यम से कैसे गिरते हैं।

इन खोजों ने पक्षियों के एरोबेटिक कौशल में योगदान देने वाले बड़े, पहले अज्ञात कारकों की पहचान की और कुछ विकासवादी दबावों का खुलासा किया जिन्होंने पक्षियों को उड़ने में इतना कुशल बना दिया। वे उन ब्लूप्रिंट को फिर से तैयार करने में भी मदद कर रहे हैं, जिनका पालन भविष्य के इंजीनियरों द्वारा किया जा सकता है, जब विमान को पैंतरेबाज़ी और अनुकूलनीय के रूप में डिजाइन करने का प्रयास किया जा सकता है, जैसा कि पक्षी आसानी से करते हैं, प्रतीत होता है कि सहज अनुग्रह के साथ, लेकिन तेजी से तेजी से शारीरिक और मानसिक संसाधनों पर ड्राइंग हम अभी सराहना करने लगे हैं।

हार्वे, जिन्होंने एक स्नातक के रूप में मैकेनिकल इंजीनियरिंग का अध्ययन किया, पक्षी उड़ान के अपने अध्ययन का वर्णन "कुछ ऐसा परिमाणित करना, जो मेरे लिए, जादू जैसा दिखता है।" अपने करियर की शुरुआत में, इंजीनियरिंग से जीव विज्ञान में संक्रमण करने से पहले, उसने कभी नहीं सोचा था कि वह पक्षियों के रहस्यों को समझने की कोशिश करेगी।

पक्षियों की ज्यामिति

हार्वे ने कहा, "मैं पक्षियों को भी पसंद नहीं करता था।" फिर भी 2016 में एक दिन, वह ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय के पास एक पार्क में एक चट्टानी कगार पर बैठी, एक छोटी वृद्धि के बाद आराम कर रही थी और सोच रही थी कि जीव विज्ञान प्रयोगशाला में एक नव नियुक्त मास्टर के छात्र के रूप में किस परियोजना को आगे बढ़ाया जाए। गलफड़ों से घिरी, उसने सोचा: "वे वास्तव में बहुत अच्छे उड़ते हैं, अगर आप इस बात को नज़रअंदाज़ करते हैं कि वे कितने कष्टप्रद हैं।"

गल जल्दी ही वह बन गया जिसे वह "स्पार्क" पक्षी कहती है, और उसने जल्द ही उड़ान की शक्ति के बारे में अधिक समझने की कोशिश करने के पक्ष में उनसे बचना छोड़ दिया। लेकिन जैसे-जैसे हार्वे ने साहित्य की गहराई में जाना, उसने महसूस किया कि पक्षी कैसे उड़ते हैं, इस बारे में हमारे ज्ञान में बड़ी कमी है।

वह गहराई से प्रेरित थी एक 2001 अध्ययन कि टेलर ने ऑक्सफोर्ड में डॉक्टरेट की पढ़ाई के दौरान सह-लेखन किया था। टेलर का पेपर सबसे पहले सैद्धांतिक आधार तैयार करने वाला था कि कैसे पक्षी और अन्य उड़ने वाले जानवर स्थिरता प्राप्त करते हैं, वह विशेषता जो उन्हें गलत दिशा में धकेलने से रोकती है।

स्थिरता, टेलर ने समझाया, अंतर्निहित स्थिरता, या गड़बड़ी के लिए सहज प्रतिरोध, और नियंत्रण, गड़बड़ी के लिए प्रतिक्रियाओं को बदलने की एक सक्रिय क्षमता के संयोजन से आता है। एक अच्छे कागज़ के हवाई जहाज में अंतर्निहित स्थिरता होती है; control पांचवीं पीढ़ी के लड़ाकू विमान की खासियत है। 2001 के शोध से पता चला कि निहित स्थिरता ने पक्षियों की उड़ान में आम तौर पर विश्वास की तुलना में एक बड़ी भूमिका निभाई।

टेलर के पेपर को पढ़ने के तुरंत बाद, हार्वे ने अपने डॉक्टरेट के काम को पक्षी उड़ान में स्थिरता के पहले गतिशील समीकरण विकसित करने पर केंद्रित किया। "हमारे पास विमान के लिए ये सभी समीकरण हैं," उसने कहा। "मैं उन्हें पक्षी उड़ान के लिए चाहता था।"

पक्षियों की उड़ान की स्थिरता और अस्थिरता और पक्षियों को उन्हें नियंत्रित करने में आने वाली चुनौतियों को समझने के लिए, हार्वे ने महसूस किया, उन्हें और उनकी टीम को पक्षियों के सभी जड़त्वीय गुणों का मानचित्रण करने की आवश्यकता थी, कुछ ऐसा जिसे पिछले अध्ययनों ने बड़े पैमाने पर अनदेखा किया या महत्वहीन माना। गति में एक पक्षी पर कार्य करने वाले वायुगतिकीय गुणों के विपरीत, जड़त्वीय गुण एक पक्षी के द्रव्यमान से संबंधित होते हैं और इसे कैसे वितरित किया जाता है।

हार्वे और उनकी टीम ने कनाडा के वैंकूवर में ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय में बीटी जैव विविधता संग्रहालय से 36 जमे हुए पक्षी शवों को इकट्ठा किया - 22 बहुत अलग प्रजातियों का प्रतिनिधित्व किया। उन्होंने प्रत्येक व्यक्तिगत पंख के लिए शवों को विच्छेदित किया, लंबाई, वजन और पंखों का माप लिया, और पक्षियों की कोहनी और कलाई की गति की सीमा का पता लगाने के लिए पंखों को मैन्युअल रूप से बढ़ाया और अनुबंधित किया।

उन्होंने एक उपन्यास मॉडलिंग कार्यक्रम लिखा जो सैकड़ों ज्यामितीय आकृतियों के संयोजन के रूप में विभिन्न प्रकार के पंखों, हड्डियों, मांसपेशियों, त्वचा और पंखों का प्रतिनिधित्व करता था। सॉफ्टवेयर ने उन्हें प्रासंगिक विशेषताओं की गणना करने की अनुमति दी जैसे कि गुरुत्वाकर्षण का केंद्र और "तटस्थ बिंदु" जो उड़ान में पक्षी का वायुगतिकीय केंद्र है। फिर उन्होंने प्रत्येक पक्षी के लिए उन गुणों को निर्धारित किया जिनके पंखों को विभिन्न आकारों में कॉन्फ़िगर किया गया था।

प्रत्येक पक्षी की स्थिरता और गतिशीलता को मापने के लिए, उन्होंने एक वायुगतिकीय कारक की गणना की जिसे स्थैतिक मार्जिन कहा जाता है, इसके गुरुत्वाकर्षण के केंद्र और पंख के आयामों के सापेक्ष इसके तटस्थ बिंदु के बीच की दूरी। यदि एक पक्षी का तटस्थ बिंदु उसके गुरुत्वाकर्षण केंद्र के पीछे था, तो वे पक्षी को स्वाभाविक रूप से स्थिर मानते थे, जिसका अर्थ है कि उड़ने वाला पक्षी स्वाभाविक रूप से अपने मूल उड़ान पथ पर वापस आ जाएगा यदि संतुलन को धक्का दिया जाए। यदि तटस्थ बिंदु गुरुत्वाकर्षण के केंद्र के सामने था, तो पक्षी अस्थिर था और उसे उस स्थिति से आगे धकेल दिया जाएगा, जिसमें वह था - जो कि एक पक्षी को लुभावनी पैंतरेबाज़ी करने में सक्षम होने के लिए वास्तव में ऐसा ही होना चाहिए।

जब वैमानिकी इंजीनियर विमानों को डिजाइन करते हैं, तो वे वांछित प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए स्थिर मार्जिन निर्धारित करते हैं। लेकिन पक्षी, हवाई जहाज के विपरीत, अपने पंखों को हिला सकते हैं और अपने शरीर की मुद्रा को बदल सकते हैं, जिससे उनके स्थिर मार्जिन में परिवर्तन हो सकता है। इसलिए हार्वे और उनकी टीम ने यह भी मूल्यांकन किया कि विभिन्न पंखों के विन्यास में प्रत्येक पक्षी की अंतर्निहित स्थिरता कैसे बदल गई।

वास्तव में, हार्वे और उनके सहयोगियों ने एक ढांचा लिया जो "विमान के लिए हम जो करते हैं उसके समान है" और इसे पक्षियों के लिए अनुकूलित किया, ने कहा एमी विसा, प्रिंसटन विश्वविद्यालय में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के एक सहायक प्रोफेसर जिन्होंने उनके काम पर एक टिप्पणी लिखी थी प्रकृति.

लचीली उड़ान

जब लगभग 160 मिलियन वर्ष पहले पंख वाले थेरेपोड डायनासोर ने खुद को हवा में लॉन्च किया था, तो वे सीमित उड़ने वाले थे, केवल कम दूरी पर या छोटे विस्फोटों में फड़फड़ाते थे। लेकिन केवल कुछ अपवादों के साथ, उन डायनासोरों से निकले पक्षियों की 10,000 से अधिक प्रजातियां असाधारण उड़ान मशीनों में विकसित हुई हैं, जो सुंदर ग्लाइडिंग और एक्रोबेटिक युद्धाभ्यास में सक्षम हैं। उस तरह की गतिशीलता के लिए अस्थिरता का नियंत्रित लाभ लेने की आवश्यकता होती है - और फिर इससे बाहर निकलना।

क्योंकि आधुनिक पक्षी इतने गतिशील हैं, जीवविज्ञानियों ने माना कि वे अधिक से अधिक अस्थिर होने के लिए विकसित हुए थे। हार्वे ने कहा, "ऐसा माना जाता था कि पक्षी, लड़ाकू जेट की तरह, इन अस्थिरताओं में वास्तव में तेज़ युद्धाभ्यास करने के लिए झुक जाते हैं।" "और इसीलिए पक्षी इस तरह से उड़ते हैं कि हम अभी तक पूरी तरह से दोहरा नहीं सकते हैं।"

लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि उन्होंने जिस प्रजाति को देखा, उनमें से केवल एक तीतर, पूरी तरह से अस्थिर थी। चार प्रजातियां पूरी तरह से स्थिर थीं, और 17 प्रजातियां - जिनमें स्विफ्ट और कबूतर शामिल थे - अपने पंखों को मोड़कर स्थिर और अस्थिर उड़ान के बीच स्विच कर सकते थे। "वास्तव में, हम जो देख रहे हैं, वह यह है कि ये पक्षी उस तरह के अधिक लड़ाकू-जेट जैसी शैली और अधिक यात्री-जेट जैसी शैली के बीच स्थानांतरित करने में सक्षम हैं," हार्वे ने कहा।

उनकी टीम द्वारा आगे गणितीय मॉडलिंग ने सुझाव दिया कि पक्षियों की अस्थिरता को बढ़ाने के बजाय, विकास स्थिरता और अस्थिरता दोनों के लिए उनकी क्षमता को संरक्षित कर रहा है। सभी अध्ययन किए गए पक्षियों में, हार्वे की टीम ने सबूत पाया कि चयन दबाव एक साथ स्थिर मार्जिन बनाए रख रहे थे जिसने दोनों को सक्षम किया। नतीजतन, पक्षियों के पास एक स्थिर मोड से एक अस्थिर और पीछे की ओर स्थानांतरित करने की क्षमता होती है, जिससे उनकी उड़ान गुणों को आवश्यकतानुसार बदल दिया जाता है।

आधुनिक विमान ऐसा नहीं कर सकते, सिर्फ इसलिए नहीं कि उनकी वायुगतिकीय और जड़त्वीय विशेषताएं अधिक निश्चित हैं, बल्कि इसलिए कि उन्हें दो बहुत अलग नियंत्रण एल्गोरिदम की आवश्यकता होगी। अस्थिर उड़ान का अर्थ है दुर्घटनाग्रस्त होने से बचने के लिए लगातार सुधार करना। पक्षियों को कुछ ऐसा ही करना होगा और "इसमें कुछ स्तर की अनुभूति शामिल होनी चाहिए," ने कहा रीड बोमन, फ्लोरिडा में आर्कबोल्ड बायोलॉजिकल स्टेशन में एक व्यवहारिक पारिस्थितिकीविद् और एवियन पारिस्थितिकी कार्यक्रम के निदेशक।

"लोग पक्षियों की उत्पत्ति को तब तक समझने की कोशिश कर रहे हैं जब तक लोग विकास का अध्ययन कर रहे हैं - और एक बड़ी बाधा उड़ान की जटिलता और इसे फिर से बनाने में हमारी अक्षमता रही है," ने कहा। मैथ्यू कैरानो, स्मिथसोनियन इंस्टीट्यूशन के पैलियोबायोलॉजी विभाग में डायनासोर के क्यूरेटर।

उन्हें सबसे ज्यादा आश्चर्य यह नहीं है कि पक्षियों में उड़ान के स्थिर और अस्थिर तरीकों के बीच स्थानांतरित करने की ये क्षमताएं होती हैं; ऐसा लगता है कि कुछ प्रजातियां, जैसे कि तीतर, प्रतीत नहीं होती हैं। उन्हें आश्चर्य होता है कि क्या उन प्रजातियों ने इसे कभी विकसित नहीं किया या यदि उन्होंने किसी बिंदु पर क्षमता खो दी, जैसे कि आधुनिक उड़ान रहित पक्षी उन लोगों से उतरे जो कभी उड़ सकते थे।

बेहतर विमान बनाना

पक्षियों को महारत हासिल करने वाले कई युद्धाभ्यास, कताई और गिरने वाले युद्धाभ्यास ऐसे नहीं हैं जिन्हें कोई यात्री विमान में अनुभव करना चाहेगा। लेकिन मानव रहित हवाई वाहन, जिन्हें यूएवी या ड्रोन के रूप में भी जाना जाता है, कठोर युद्धाभ्यास करने के लिए स्वतंत्र हैं, और सैन्य, वैज्ञानिक, मनोरंजन और अन्य उपयोगों के लिए उनकी बढ़ती लोकप्रियता उनके लिए ऐसा करने के अधिक अवसर पैदा कर रही है।

भट्टाचार्य ने कहा, "यह अधिक कुशल यूएवी बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है, जिन्होंने हार्वे के अध्ययन को देखकर तुरंत इसे अपने इंजीनियरिंग समूह को भेज दिया। अधिकांश यूएवी आज फिक्स्ड-विंग विमान हैं, जो निगरानी मिशन और कृषि उद्देश्यों के लिए महान हैं क्योंकि वे घंटों तक कुशलता से उड़ सकते हैं और हजारों किलोमीटर की दूरी तय कर सकते हैं। हालांकि, उनके पास शौक़ीन लोगों के बीच लोकप्रिय नाजुक क्वाडकॉप्टर ड्रोन की गतिशीलता की कमी है। शोधकर्ताओं ने एयरबस और नासा पंख वाले विमानों के लिए नए डिजाइन का सपना देख रहे हैं जो पक्षियों की कुछ अविश्वसनीय पैंतरेबाज़ी प्रतिभाओं की नकल कर सकते हैं।

टेलर और उनकी टीम यह विश्लेषण करने की उम्मीद कर रही है कि कैसे पक्षी उड़ना सीखते हुए जटिल कार्यों को करने की क्षमता हासिल कर लेते हैं। यदि शोधकर्ता वास्तव में इन युद्धाभ्यासों को समझ सकते हैं, तो इंजीनियर किसी दिन नए यात्रियों के डिजाइन में एआई को शामिल कर सकते हैं, जिससे वे न केवल दिखने में जीव विज्ञान की नकल कर सकते हैं, बल्कि उड़ान व्यवहार सीखने की उनकी क्षमता में भी सक्षम हो सकते हैं।

जैसा कि उसने कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, डेविस में अपनी नई प्रयोगशाला स्थापित की है, हार्वे अभी भी यह तय कर रहा है कि उसका भविष्य का शोध बुनियादी अनुसंधान से लेकर पक्षी उड़ान में ड्रोन और विमानों के डिजाइन और निर्माण तक के स्पेक्ट्रम पर होगा। लेकिन सबसे पहले, वह इंजीनियरिंग और जीव विज्ञान के छात्रों की एक टीम बनाने के लिए काम कर रही है, जो दो अलग-अलग क्षेत्रों की सीमा पर काम करने के लिए उतनी ही भावुक हैं जितनी वह हैं।

"मुझे नहीं लगता कि मैं पूरी तरह से इंजीनियरिंग के भीतर खिल रहा था," हार्वे ने कहा। जब उसने जीव विज्ञान के क्षेत्र में काम करना शुरू किया, तो उसे लगा कि वह और अधिक रचनात्मक हो सकती है। अब, अपने कई इंजीनियरिंग सहयोगियों की निराशा के कारण, वह पक्षियों की आकृतियों को पूर्ण करने में लंबे समय तक काम करती है। "मैं अपना आधा समय ड्राइंग में बिताती हूं," उसने कहा। "इसने वास्तव में मेरा दृष्टिकोण बदल दिया है।"