Az álcázó hálóval burkolt téglalap alakú szobában négy Harris sólyom felváltva repült ide-oda füves ülőrudak között, miközben a tudósok minden biomechanikai csapkodásukat feljegyezték. A kutatók részt vettek a madarak repülésének ősidők óta tartó törekvésében – bár ebben a kísérletben az volt az érdeklődésük, hogy figyeljék a leszállásukat.
Az ülőrudak közötti több mint 1,500 repülés során a négy sólyom szinte mindig ugyanazt az utat járta be – nem a leggyorsabbat vagy a legenergiatakarékosabbat, hanem azt, amely lehetővé tette számukra, hogy a legbiztonságosabban és a leginkább irányítottan üljenek. Mint Graham Taylor, az Oxfordi Egyetem matematikai biológia professzora és munkatársai a közelmúltban leírták in Természet, a sólymok U-alakú ívben repültek, gyorsan csapkodva a szárnyaikkal, hogy felgyorsuljanak a merülésbe, majd siklás közben élesen felfelé lendültek, és kinyújtották a szárnyaikat, hogy lassítsák a haladásukat, mielőtt felkapaszkodtak volna a sügérre.
„Elbűvölően idegen látni őket” – mondta Lydia Franciaország, az Alan Turing Intézet kutatója és az Oxfordi Egyetem posztdoktori kutatója, aki megtervezte és segítette a kísérleteket. A sólymok azon képessége, hogy a levegőben majdnem megállva szálljanak le, páratlan mechanikus társaikkal.
„Az evolúció sokkal bonyolultabb repülőeszközt hozott létre, mint amit valaha is meg tudtunk tervezni” – mondta Samik Bhattacharya, a Közép-Floridai Egyetem kísérleti folyadékmechanikai laboratóriumának adjunktusa. Az okok, amelyek miatt a mai repülőgépek nem felelnek meg a madár irányíthatóságának, nem egyszerűen mérnöki okok. Bár a madarakat a történelem során aprólékosan megfigyelték, és az évszázadok során Leonardo da Vinci és mások repülőgép-terveit ihlették, a madarak irányíthatóságát lehetővé tevő biomechanika nagyrészt rejtély maradt.
A mérföldkő tanulmány tavaly márciusban jelent meg Természetazonban elkezdett változtatni ezen. A Michigani Egyetemen végzett doktori kutatásáért Christina Harvey és kollégái azt találták, hogy a legtöbb madár repülés közben is képes átmozgatni a szárnyait, hogy oda-vissza forgathasson az utasszállító repülőgéphez hasonló zökkenőmentes repülés és a vadászrepülőgépszerű akrobatikus repülés között. Munkájuk világossá teszi, hogy a madarak teljesen megváltoztathatják mind az aerodinamikai jellemzőket, amelyek szabályozzák a levegő szárnyaik feletti mozgását, és testük tehetetlenségi jellemzőit, amelyek meghatározzák, hogyan zuhannak át a levegőben a gyors manőverek végrehajtásához.
Ezek a felfedezések nagy, korábban ismeretlen tényezőket azonosítottak, amelyek hozzájárultak a madarak műrepülő képességéhez, és felfedték azokat az evolúciós nyomásokat, amelyek miatt a madarak olyan jártasak voltak a repülésben. Segítenek abban is, hogy újrafogalmazzák azokat a tervrajzokat, amelyeket a jövő mérnökei követhetnek, amikor olyan manőverezhető és alkalmazkodóképes repülőgépeket próbálnak megtervezni, mint amilyenek a madarak tudnak, látszólag könnyed kecsességgel, de olyan félelmetesen gyors fizikai és szellemi erőforrásokra támaszkodva, amelyeket most kezdünk értékelni.
Harvey, aki egyetemi hallgatóként gépészmérnököt tanult, úgy írja le a madárrepüléssel kapcsolatos tanulmányait, mint „olyasmit, ami számomra varázslatnak tűnik”. Pályafutása elején, mielőtt áttért a mérnöki tudományból a biológiába, soha nem gondolta volna, hogy ő lesz az, aki megpróbálja felismerni a madarak titkait.
A madarak geometriája
„Régebben nem is szerettem a madarakat” – mondta Harvey. 2016-ban azonban egy nap egy sziklás párkányon ült a British Columbia Egyetem melletti parkban, egy rövid túra után megpihent, és azon gondolkodott, milyen projektet kezdjen újonnan kinevezett mesterszakos hallgatóként egy biológia laborban. Sirályokkal körülvéve azt gondolta: „Nagyon jól repülnek, ha figyelmen kívül hagyjuk, mennyire idegesítőek.”
A sirály hamar „szikramadara” lett, és hamarosan feladta, hogy elkerülje őket, és megpróbáljon többet megérteni repülési erejükről. De ahogy Harvey mélyebbre ásott az irodalomban, rájött, hogy nagy hiányosságok vannak a madarak repülésének ismeretében.
Mélyen inspirálta Egy tanulmány 2001 amelynek Taylor társszerzője volt, miközben Oxfordban doktorált. Taylor dolgozata volt az első, amely elméleti alapokat fektetett le arra vonatkozóan, hogy a madarak és más repülő állatok hogyan érik el a stabilitást, azt a tulajdonságot, amely megakadályozza, hogy rossz irányba tolják őket.
A stabilitás – magyarázta Taylor – a benne rejlő stabilitás vagy a zavarokkal szembeni veleszületett ellenállás és a kontroll, a zavarokra adott válaszok megváltoztatásának aktív képességének kombinációjából fakad. Egy jó papírrepülőnek az eredendő stabilitása van; az irányítás egy ötödik generációs vadászrepülőgép erőssége. A 2001-es kutatás kimutatta, hogy a benne rejlő stabilitás nagyobb szerepet játszott a madarak repülésében, mint azt általában hitték.
Hamarosan Taylor tanulmányának elolvasása után Harvey doktori munkáját a madárrepülés első dinamikus stabilitási egyenleteinek kidolgozására összpontosította. „Minden egyenletünk megvan a repülőgépekre” – mondta. – Madárrepülésre akartam őket.
Harvey rájött, hogy a madarak repülésének stabilitásának és instabilitásának, valamint a madarak által az ellenőrzésük során felmerülő kihívásoknak megértéséhez fel kell térképeznie a madarak összes tehetetlenségi tulajdonságát, amit a korábbi tanulmányok nagyrészt figyelmen kívül hagytak vagy lényegtelennek tekintettek. A tehetetlenségi tulajdonságok a madár tömegére és eloszlására vonatkoznak, ellentétben az aerodinamikai tulajdonságokkal, amelyek a mozgásban lévő madarakra hatnak.
Harvey és csapata 36 fagyott madártetemet gyűjtött össze – 22 nagyon különböző fajt képviselve – a vancouveri British Columbia Egyetem Beaty Biodiverzitási Múzeumából. Minden egyes tollig feldarabolták a tetemeket, megmérték a hosszt, a súlyt és a szárnyfesztávolságot, és manuálisan kinyújtották és összehúzták a szárnyakat, hogy meghatározzák a madarak könyökének és csuklójának mozgási tartományát.
Írtak egy új modellező programot, amely különböző típusú szárnyakat, csontokat, izmokat, bőrt és tollakat ábrázolt geometriai alakzatok százainak kombinációjaként. A szoftver lehetővé tette számukra, hogy kiszámítsák a releváns jellemzőket, például a súlypontot és a „semleges pontot”, amely a madár repülés közbeni aerodinamikai középpontja. Ezután meghatározták ezeket a tulajdonságokat minden egyes madár szárnyaihoz, amelyek különböző alakúak voltak.
Az egyes madarak stabilitásának és manőverezhetőségének számszerűsítésére kiszámoltak egy aerodinamikai tényezőt, az úgynevezett statikus határt, amely a súlypontja és a szárny méreteihez viszonyított semleges pontja közötti távolság. Ha egy madár semleges pontja a súlypontja mögött volt, akkor a madarat eredendően stabilnak tekintették, ami azt jelenti, hogy a repülő madár természetesen visszatér eredeti repülési útvonalához, ha kibillent egyensúlyból. Ha a semleges pont a súlypont előtt volt, akkor a madár instabil volt, és távolabb szorul a helyzetétől, amiben volt – pontosan ennek kell megtörténnie ahhoz, hogy egy madár lélegzetelállító manővert tudjon végrehajtani.
Amikor a repülésmérnökök repülőgépeket terveznek, beállítják a statikus határokat a kívánt teljesítmény elérése érdekében. De a madarak, a repülőgépekkel ellentétben, mozgathatják a szárnyaikat és megváltoztathatják testhelyzetüket, ezáltal megváltoztatva statikus széleiket. Harvey és csapata ezért azt is értékelte, hogyan változott az egyes madarak eredendő stabilitása a különböző szárnykonfigurációkban.
Valójában Harvey és kollégái olyan keretrendszert választottak, amely „nagyon hasonlít ahhoz, amit a repülőgépeknél használunk”, és a madarakhoz igazították. Aimy Wissa, a Princetoni Egyetem gépészeti és űrtechnikai adjunktusa, aki kommentárt írt a munkájukról Természet.
Rugalmas repülés
Amikor a tollas terápiás dinoszauruszok körülbelül 160 millió évvel ezelőtt felszálltak a levegőbe, csak korlátozottan repültek, és csak rövid távolságokon vagy apró kitörésekben repkedtek. Néhány kivételtől eltekintve azonban az ezekből a dinoszauruszokból származó több mint 10,000 XNUMX madárfaj rendkívüli repülőgépekké fejlődött, amelyek kecses siklásra és akrobatikus manőverekre képesek. Az ilyen manőverezhetőség megkívánja, hogy az instabilitás ellenőrzött előnyeit kihasználjuk – majd ki kell húzni belőle.
Mivel a modern madarak nagyon mozgékonyak, a biológusok azt feltételezték, hogy egyre instabilabbakká fejlődtek. „Azt hitték, hogy a madarak, akárcsak a vadászrepülőgépek, csak belehajolnak ezekbe az instabilitásokba, hogy végrehajtsák ezeket az igazán gyors manővereket” – mondta Harvey. "És ezért repülnek így a madarak, amit még nem tudunk megismételni."
A kutatók azonban azt találták, hogy az általuk vizsgált fajok közül csak egy, a fácán volt teljesen instabil. Négy faj teljesen stabil volt, és 17 faj – köztük a swift és a galamb – a szárnyaik megváltoztatásával válthatott stabil és instabil repülés között. "Valójában azt látjuk, hogy ezek a madarak képesek váltani a vadászgép-szerűbb és az utasszállító repülőgép-szerűbb stílus között" - mondta Harvey.
Csapata további matematikai modellezései arra utaltak, hogy az evolúció ahelyett, hogy fokozta volna a madarak instabilitását, inkább megőrzi a madarak stabilitási és instabilitási potenciálját. Harvey csapata az összes vizsgált madárnál bizonyítékot talált arra, hogy a szelekciós nyomás egyidejűleg fenntartja a statikus határokat, ami mindkettőt lehetővé tette. Ennek eredményeként a madarak képesek átváltani stabil üzemmódból instabilba, majd vissza, és szükség szerint megváltoztatni repülési tulajdonságaikat.
A modern repülőgépek erre nem képesek, nem csak azért, mert aerodinamikai és tehetetlenségi jellemzőik jobban rögzítettek, hanem azért is, mert két nagyon eltérő vezérlőalgoritmusra lenne szükségük. Az instabil repülés azt jelenti, hogy folyamatosan korrekciókat kell végrehajtani az összeomlás elkerülése érdekében. A madaraknak valami hasonlót kell tenniük, és „ebben bizonyos szintű megismerésnek kell lennie” – mondta Reed Bowman, viselkedésökológus és a floridai Archbold Biological Station madárökológiai programjának igazgatója.
"Az emberek addig próbálták megérteni a madarak eredetét, amíg az emberek az evolúciót tanulmányozták - és a fő akadály a repülés bonyolultsága és az volt, hogy képtelenek vagyunk leépíteni" - mondta. Matthew Carrano, a Dinosauria kurátora a Smithsonian Institution paleobiológiai osztályán.
Nem az lep meg leginkább, hogy a madarak képesek a stabil és instabil repülési módok között váltani; néhány faj, például a fácán, látszólag nem. Arra kíváncsi, vajon ezek a fajok soha nem fejlesztették-e ki, vagy valamikor elvesztették a képességüket, ahogyan a modern röpképtelen madarak leszármazottai azokból, amelyek valaha repülni tudtak.
Jobb repülőgép építése
A madarak által elsajátított bukfencező, pörgő és zuhanó manőverek közül sok nem olyan, amit bárki szívesen megtapasztalna egy utasszállító repülőgépen. A személyzet nélküli légi járművek, más néven UAV-k vagy drónok azonban szabadabban hajthatnak végre drasztikus manővereket, és egyre növekvő népszerűségük katonai, tudományos, szabadidős és egyéb felhasználási területeken több lehetőséget teremt számukra.
"Ez egy nagyszerű lépés a manőverezhetőbb UAV-k létrehozása felé" - mondta Bhattacharya, aki Harvey tanulmányát látva azonnal elküldte azt mérnöki csoportjának. A legtöbb UAV manapság merevszárnyú repülőgép, amely kiválóan alkalmas megfigyelési küldetésekre és mezőgazdasági célokra, mivel órákig képesek hatékonyan repülni és több ezer kilométert megtenni. Hiányzik azonban belőlük a hobbisták körében népszerű, törékeny quadcopter drónok manőverezhetősége. Kutatók a Airbus és a NASA olyan újszerű terveket álmodnak meg szárnyas repülőgépekhez, amelyek utánozhatják a madarak hihetetlen manőverező képességeit.
Taylor és csapata azt reméli, hogy elemezhetik, hogy a madarak hogyan sajátítják el azt a képességet, hogy összetett feladatokat hajtsanak végre, miközben megtanulnak repülni. Ha a kutatók valóban megértik ezeket a manővereket, a mérnökök egy nap beépíthetik a mesterséges intelligenciát az új szórólapok tervezésébe, lehetővé téve számukra, hogy ne csak megjelenésükben utánozzák a biológiát, hanem a repülési viselkedés megtanulásának képességét is.
Miközben felállítja új laborját a Kaliforniai Egyetemen (Davis), Harvey még mindig azon dönt, hogy a madarak repülésének alapkutatásaitól a drónok és repülőgépek tervezéséig és gyártásáig milyen spektrumú lesz jövőbeli kutatása. Először azonban azon dolgozik, hogy felállítson egy mérnök- és biológushallgatói csapatot, akik ugyanolyan szenvedélyesen dolgoznak két nagyon különböző terület határán, mint ő.
„Nem hiszem, hogy teljesen virágoztam volna a mérnöki területen” – mondta Harvey. Amikor a biológia szélén kezdett dolgozni, úgy érezte, kreatívabb lehet. Most, sok mérnök kollégája megdöbbenésére, hosszú órákat tölt a madárfigurák tökéletesítésén. „Az időm felét rajzolással töltöm” – mondta. – Valóban megváltoztatta a nézőpontomat.
