Di sebuah ruangan persegi panjang terbungkus jaring kamuflase, empat elang Harris bergiliran terbang bolak-balik di antara tempat bertengger yang tertutup rumput sementara para ilmuwan merekam setiap getaran biomekanik mereka. Para peneliti mengambil bagian dalam pengejaran waktu untuk menonton burung terbang - meskipun dalam percobaan ini, minat mereka yang sebenarnya adalah melihat mereka mendarat.
Dalam lebih dari 1,500 penerbangan antara tempat bertengger, keempat elang hampir selalu mengambil jalur yang sama — bukan yang tercepat atau yang paling hemat energi, tetapi yang memungkinkan mereka untuk hinggap dengan paling aman dan dengan kendali paling besar. Sebagai Graham Taylor, seorang profesor biologi matematika di Universitas Oxford, dan rekan-rekannya dijelaskan baru-baru ini in Alam, elang terbang dalam busur berbentuk U, dengan cepat mengepakkan sayap mereka untuk mempercepat menyelam, lalu dengan tajam menukik ke atas dalam luncuran, merentangkan sayap mereka untuk memperlambat kemajuan mereka sebelum meraih hinggap.
"Melihat mereka sangat asing," kata Lidia Prancis, seorang ilmuwan data penelitian di Institut Alan Turing dan peneliti pascadoktoral di Universitas Oxford yang merancang dan membantu menjalankan eksperimen. Kemampuan elang untuk mendarat dengan hampir berhenti di udara tidak tertandingi oleh rekan mekanis mereka.
“Evolusi telah menciptakan perangkat terbang yang jauh lebih rumit daripada yang pernah kami rekayasa,” kata Samik Bhattacharya, asisten profesor di laboratorium mekanika fluida eksperimental di University of Central Florida. Alasan mengapa pesawat saat ini tidak dapat menandingi kemampuan manuver burung bukan hanya masalah rekayasa. Meskipun burung telah diamati dengan cermat sepanjang sejarah dan telah mengilhami desain untuk mesin terbang oleh Leonardo da Vinci dan lainnya selama berabad-abad, biomekanik yang memungkinkan kemampuan manuver burung sebagian besar masih menjadi misteri.
A studi tengara diterbitkan Maret lalu di Alam, bagaimanapun, sudah mulai mengubah itu. Untuk penelitian doktoralnya di University of Michigan, Christina Harvey dan rekan-rekannya menemukan bahwa sebagian besar burung dapat mengubah sayapnya di tengah penerbangan untuk membalik bolak-balik antara terbang dengan mulus seperti pesawat penumpang dan terbang secara akrobatik seperti jet tempur. Pekerjaan mereka memperjelas bahwa burung dapat sepenuhnya mengubah karakteristik aerodinamis yang mengatur bagaimana udara bergerak di atas sayap mereka dan karakteristik inersia tubuh mereka yang menentukan bagaimana mereka jatuh di udara untuk menyelesaikan manuver cepat.
Penemuan-penemuan ini mengidentifikasi faktor-faktor besar yang sebelumnya tidak diketahui berkontribusi pada kecakapan aerobatik burung dan mengungkapkan beberapa tekanan evolusi yang membuat burung begitu mahir terbang. Mereka juga membantu merancang ulang cetak biru yang mungkin diikuti oleh para insinyur masa depan ketika mencoba merancang pesawat yang dapat bermanuver dan beradaptasi seperti burung, tampaknya dengan keanggunan yang mudah tetapi menggunakan sumber daya fisik dan mental yang luar biasa cepat yang baru saja mulai kami hargai.
Harvey, yang belajar teknik mesin sebagai sarjana, menggambarkan studinya tentang penerbangan burung sebagai "mengukur sesuatu yang, bagi saya, terlihat seperti sihir." Di awal karirnya, sebelum melakukan transisi dari teknik ke biologi, dia tidak pernah berpikir dia akan menjadi orang yang mencoba membedakan rahasia burung.
Geometri Burung
"Saya bahkan tidak suka burung," kata Harvey. Namun suatu hari di tahun 2016, dia duduk di langkan berbatu di sebuah taman dekat Universitas British Columbia, beristirahat setelah mendaki sebentar dan memikirkan proyek apa yang harus dikejar sebagai mahasiswa master yang baru diangkat di laboratorium biologi. Dikelilingi oleh burung camar, dia berpikir: "Mereka terbang sangat keren, jika Anda mengabaikan betapa menyebalkannya mereka."
Camar dengan cepat menjadi apa yang dia sebut burung "percikan", dan dia segera menyerah menghindari mereka demi mencoba memahami lebih banyak tentang kekuatan terbang mereka. Tetapi ketika Harvey menggali lebih dalam literatur, dia menyadari ada kesenjangan besar dalam pengetahuan kita tentang bagaimana burung terbang.
Dia sangat terinspirasi oleh studi 2001 bahwa Taylor telah ikut menulis saat dia mengejar gelar doktornya di Oxford. Makalah Taylor adalah yang pertama memaparkan landasan teoretis tentang bagaimana burung dan hewan terbang lainnya mencapai stabilitas, sifat yang mencegah mereka didorong ke arah yang salah.
Stabilitas, Taylor menjelaskan, berasal dari kombinasi stabilitas bawaan, atau resistensi bawaan terhadap gangguan, dan kontrol, kemampuan aktif untuk mengubah respons terhadap gangguan. Stabilitas yang melekat adalah apa yang dimiliki pesawat kertas yang bagus; kontrol adalah keahlian pesawat tempur generasi kelima. Penelitian tahun 2001 menunjukkan bahwa stabilitas bawaan memainkan peran yang lebih besar dalam penerbangan burung daripada yang diyakini secara umum.
Segera setelah membaca makalah Taylor, Harvey memfokuskan pekerjaan doktoralnya pada pengembangan persamaan dinamis pertama stabilitas dalam penerbangan burung. “Kami memiliki semua persamaan ini untuk pesawat,” katanya. "Aku ingin mereka untuk penerbangan burung."
Untuk memahami stabilitas dan ketidakstabilan penerbangan burung dan tantangan yang dihadapi burung dalam mengendalikannya, Harvey menyadari, dia dan timnya perlu memetakan semua sifat inersia burung, sesuatu yang sebagian besar diabaikan atau dianggap tidak penting oleh penelitian sebelumnya. Sifat inersia berhubungan dengan massa burung dan bagaimana distribusinya, berbeda dengan sifat aerodinamis yang bekerja pada burung yang sedang bergerak.
Harvey dan timnya mengumpulkan 36 mayat burung beku - mewakili 22 spesies yang sangat berbeda - dari Beaty Biodiversity Museum di University of British Columbia di Vancouver, Kanada. Mereka membedah mayat sampai ke setiap bulu individu, mengukur panjang, berat dan lebar sayap, dan secara manual memperpanjang dan mengecilkan sayap untuk mengetahui jangkauan gerakan siku dan pergelangan tangan burung.
Mereka menulis program pemodelan baru yang mewakili berbagai jenis sayap, tulang, otot, kulit dan bulu sebagai kombinasi dari ratusan bentuk geometris. Perangkat lunak memungkinkan mereka untuk menghitung karakteristik yang relevan seperti pusat gravitasi dan "titik netral" yang merupakan pusat aerodinamis burung dalam penerbangan. Mereka kemudian menentukan sifat-sifat itu untuk setiap burung dengan sayapnya yang dikonfigurasi dalam berbagai bentuk.
Untuk mengukur stabilitas dan kemampuan manuver setiap burung, mereka menghitung faktor aerodinamis yang disebut static margin, jarak antara pusat gravitasi dan titik netralnya relatif terhadap dimensi sayap. Jika titik netral burung berada di belakang pusat gravitasinya, mereka menganggap burung itu stabil secara inheren, yang berarti bahwa burung yang terbang secara alami akan kembali ke jalur penerbangan aslinya jika didorong tidak seimbang. Jika titik netral berada di depan pusat gravitasi, maka burung itu tidak stabil dan akan terdorong lebih jauh dari posisinya — itulah yang harus terjadi agar seekor burung dapat melakukan manuver yang menakjubkan.
Ketika insinyur penerbangan merancang pesawat, mereka mengatur margin statis untuk mencapai kinerja yang diinginkan. Tetapi burung, tidak seperti pesawat terbang, dapat menggerakkan sayapnya dan mengubah postur tubuhnya, sehingga mengubah batas statisnya. Oleh karena itu, Harvey dan timnya juga mengevaluasi bagaimana stabilitas bawaan setiap burung berubah dalam konfigurasi sayap yang berbeda.
Akibatnya, Harvey dan rekan-rekannya mengambil kerangka kerja yang "sangat mirip dengan apa yang kami lakukan untuk pesawat terbang" dan mengadaptasinya ke burung, kata Aimy Wissa, asisten profesor teknik mesin dan kedirgantaraan di Universitas Princeton yang menulis komentar tentang pekerjaan mereka untuk Alam.
Penerbangan Fleksibel
Ketika dinosaurus therapoda berbulu meluncurkan diri ke udara sekitar 160 juta tahun yang lalu, mereka adalah selebaran terbatas, hanya terbang dalam jarak pendek atau dalam ledakan kecil. Tetapi dengan hanya beberapa pengecualian, lebih dari 10,000 spesies burung keturunan dinosaurus tersebut telah berevolusi menjadi mesin terbang yang luar biasa, yang mampu meluncur dengan anggun dan manuver akrobatik. Kemampuan manuver semacam itu membutuhkan pengambilan keuntungan yang terkendali dari ketidakstabilan — dan kemudian menarik diri darinya.
Karena burung modern sangat mudah bermanuver, para ahli biologi berasumsi bahwa mereka telah berevolusi menjadi semakin tidak stabil. “Diyakini bahwa burung, seperti jet tempur, hanya bersandar pada ketidakstabilan ini untuk melakukan manuver yang sangat cepat ini,” kata Harvey. “Dan itulah mengapa burung terbang dengan cara yang belum bisa kita tiru.”
Tetapi para peneliti menemukan bahwa hanya satu spesies yang mereka lihat, burung pegar, yang benar-benar tidak stabil. Empat spesies benar-benar stabil, dan 17 spesies - termasuk burung walet dan merpati - dapat beralih antara penerbangan yang stabil dan tidak stabil dengan mengubah sayap mereka. “Sungguh, apa yang kami lihat adalah burung-burung ini mampu beralih antara gaya yang lebih mirip jet tempur dan gaya yang lebih mirip jet penumpang,” kata Harvey.
Pemodelan matematis lebih lanjut oleh timnya menyarankan bahwa alih-alih meningkatkan ketidakstabilan burung, evolusi telah melestarikan potensi mereka untuk stabilitas dan ketidakstabilan. Pada semua burung yang diteliti, tim Harvey menemukan bukti bahwa tekanan seleksi secara bersamaan mempertahankan margin statis yang memungkinkan keduanya. Akibatnya, burung memiliki kemampuan untuk beralih dari mode stabil ke mode tidak stabil dan kembali, mengubah sifat terbangnya sesuai kebutuhan.
Pesawat modern tidak dapat melakukan itu, bukan hanya karena fitur aerodinamis dan inersia mereka lebih tetap, tetapi karena mereka membutuhkan dua algoritma kontrol yang sangat berbeda. Penerbangan yang tidak stabil berarti terus-menerus melakukan koreksi untuk menghindari crash. Burung harus melakukan hal serupa dan "harus ada beberapa tingkat kognisi yang terlibat di dalamnya," kata Buluh Bowman, seorang ahli ekologi perilaku dan direktur program ekologi unggas di Archbold Biological Station di Florida.
"Orang-orang telah mencoba memahami asal usul burung selama orang mempelajari evolusi - dan hambatan utama adalah kompleksitas penerbangan dan ketidakmampuan kita untuk mendekonstruksinya," kata Matthew Carrano, kurator Dinosauria di departemen paleobiologi Smithsonian Institution.
Yang paling mengejutkannya bukanlah bahwa burung memiliki kemampuan untuk berpindah antara mode terbang yang stabil dan tidak stabil; itu beberapa spesies, seperti burung pegar, tampaknya tidak. Dia bertanya-tanya apakah spesies itu tidak pernah berevolusi atau jika mereka kehilangan kemampuan di beberapa titik, seperti burung modern yang tidak bisa terbang turun dari mereka yang pernah bisa terbang.
Membangun Pesawat yang Lebih Baik
Banyak manuver jungkir balik, berputar, dan jatuh yang telah dikuasai burung bukanlah yang ingin dialami siapa pun di pesawat penumpang. Tetapi kendaraan udara tanpa awak, juga dikenal sebagai UAV atau drone, lebih bebas untuk melakukan manuver drastis, dan popularitasnya yang meningkat untuk keperluan militer, ilmiah, rekreasi, dan lainnya menciptakan lebih banyak peluang bagi mereka untuk melakukannya.
“Ini adalah langkah besar untuk menghasilkan lebih banyak UAV yang dapat bermanuver,” kata Bhattacharya, yang, setelah melihat studi Harvey, segera mengirimkannya ke kelompok tekniknya. Sebagian besar UAV saat ini adalah pesawat sayap tetap, yang sangat bagus untuk misi pengawasan dan tujuan pertanian karena mereka dapat terbang secara efisien selama berjam-jam dan melintasi ribuan kilometer. Namun, mereka tidak memiliki kemampuan manuver drone quadcopters yang populer di kalangan penggemar. Peneliti di Airbus dan NASA sedang memimpikan desain baru untuk pesawat bersayap yang dapat meniru beberapa bakat manuver burung yang luar biasa.
Taylor dan timnya berharap untuk menganalisis bagaimana burung memperoleh kemampuan untuk melakukan tugas-tugas kompleks sambil belajar terbang. Jika para peneliti benar-benar dapat memahami manuver ini, para insinyur suatu hari nanti mungkin memasukkan AI dalam desain selebaran baru, memungkinkan mereka untuk meniru biologi tidak hanya dalam penampilan, tetapi juga dalam kemampuan mereka untuk mempelajari perilaku terbang.
Saat dia mendirikan lab barunya di University of California, Davis, Harvey masih memutuskan di mana penelitian masa depannya akan terletak pada spektrum dari penelitian dasar tentang penerbangan burung hingga merancang dan membuat drone dan pesawat. Tapi pertama-tama, dia bekerja untuk membangun tim mahasiswa teknik dan biologi yang sama bersemangatnya bekerja di batas dua bidang yang sangat berbeda seperti dirinya.
“Saya tidak berpikir saya berkembang sepenuhnya dalam bidang teknik,” kata Harvey. Ketika dia mulai bekerja di tepi biologi, dia merasa dia bisa lebih kreatif. Sekarang, yang membuat cemas banyak rekan tekniknya, dia menghabiskan waktu berjam-jam untuk menyempurnakan sosok burung. “Saya menghabiskan separuh waktu saya untuk menggambar,” katanya. “Ini benar-benar mengubah perspektif saya.”
