In una stanza rettangolare avvolta in una rete mimetica, quattro falchi di Harris si alternavano volando avanti e indietro tra trespoli ricoperti d'erba mentre gli scienziati registravano ogni loro battito biomeccanico. I ricercatori stavano prendendo parte alla secolare ricerca di osservare gli uccelli volare, sebbene in questo esperimento il loro vero interesse fosse guardarli atterrare.
In oltre 1,500 voli tra i trespoli, i quattro falchi hanno quasi sempre preso lo stesso percorso, non il più veloce o il più efficiente dal punto di vista energetico, ma quello che ha permesso loro di appollaiarsi in modo più sicuro e con il massimo controllo. Come Graham Taylor, professore di biologia matematica all'Università di Oxford, e i suoi colleghi descritto di recente in Natura, i falchi volavano in un arco a forma di U, sbattendo rapidamente le ali per accelerare in un tuffo, quindi piombando bruscamente verso l'alto in planata, allungando le ali per rallentare il loro avanzamento prima di aggrapparsi al trespolo.
"Guardarli è affascinante e alieno", ha detto Lidia Francia, un data scientist di ricerca presso l'Alan Turing Institute e un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Oxford che ha progettato e aiutato a condurre gli esperimenti. La capacità dei falchi di atterrare quasi fermandosi a mezz'aria non ha rivali rispetto alle loro controparti meccaniche.
"Evolution ha creato un dispositivo volante molto più complicato di quanto siamo mai stati in grado di progettare", ha affermato Samik Bhattacharya, un assistente professore nel laboratorio sperimentale di meccanica dei fluidi presso l'Università della Florida centrale. I motivi per cui gli aerei di oggi non possono eguagliare la manovrabilità aviaria non sono semplicemente una questione di ingegneria. Sebbene gli uccelli siano stati meticolosamente osservati nel corso della storia e abbiano ispirato i progetti di macchine volanti di Leonardo da Vinci e altri nel corso dei secoli, la biomeccanica che rende possibile la manovrabilità degli uccelli è stata in gran parte un mistero.
A studio di riferimento pubblicato lo scorso marzo in Natura, tuttavia, ha iniziato a cambiarlo. Per la sua ricerca di dottorato presso l'Università del Michigan, Cristina Harvey e i suoi colleghi hanno scoperto che la maggior parte degli uccelli può trasformare le ali in volo per girare avanti e indietro tra il volo fluido come un aereo passeggeri e il volo acrobatico come un aereo da combattimento. Il loro lavoro chiarisce che gli uccelli possono alterare completamente sia le caratteristiche aerodinamiche che regolano il modo in cui l'aria si muove sopra le loro ali, sia le caratteristiche inerziali dei loro corpi che determinano il modo in cui rotolano nell'aria per completare manovre veloci.
Queste scoperte hanno identificato grandi fattori precedentemente sconosciuti che contribuiscono all'abilità acrobatica degli uccelli e hanno rivelato alcune delle pressioni evolutive che hanno reso gli uccelli così abili nel volo. Stanno anche aiutando a riformulare i progetti che i futuri ingegneri potrebbero seguire quando tenteranno di progettare velivoli manovrabili e adattabili come riescono ad essere gli uccelli, apparentemente con grazia senza sforzo, ma attingendo a risorse fisiche e mentali formidabili e veloci che stiamo appena iniziando ad apprezzare.
Harvey, che ha studiato ingegneria meccanica come studente universitario, descrive i suoi studi sul volo degli uccelli come "quantificare qualcosa che, per me, sembra magico". All'inizio della sua carriera, prima di passare dall'ingegneria alla biologia, non avrebbe mai pensato che sarebbe stata lei a cercare di discernere i segreti degli uccelli.
La geometria degli uccelli
"Non mi piacevano nemmeno gli uccelli", ha detto Harvey. Eppure un giorno, nel 2016, si è seduta su una sporgenza rocciosa in un parco vicino all'Università della British Columbia, riposandosi dopo una breve escursione e pensando a quale progetto perseguire come studentessa di master appena nominata in un laboratorio di biologia. Circondata dai gabbiani, pensò: "Volano davvero bene, se ignori quanto sono fastidiosi".
Il gabbiano divenne rapidamente quello che lei chiama il suo uccello "scintilla" e presto rinunciò a evitarli per cercare di capire di più sul loro potere di volo. Ma mentre Harvey ha scavato più a fondo nella letteratura, si è resa conto che c'erano grandi lacune nella nostra conoscenza di come volano gli uccelli.
È stata profondamente ispirata da uno studio 2001 che Taylor era stato coautore mentre stava perseguendo il dottorato a Oxford. L'articolo di Taylor è stato il primo a tracciare una base teorica su come gli uccelli e altri animali volanti raggiungono la stabilità, il tratto che impedisce loro di essere spinti nella direzione sbagliata.
La stabilità, ha spiegato Taylor, deriva da una combinazione di stabilità intrinseca, o resistenza innata alle perturbazioni, e controllo, una capacità attiva di alterare le risposte alle perturbazioni. La stabilità intrinseca è ciò che ha un buon aeroplano di carta; il controllo è il forte di un aereo da caccia di quinta generazione. La ricerca del 2001 ha mostrato che la stabilità intrinseca giocava un ruolo più importante nel volo degli uccelli di quanto si credesse generalmente.
Subito dopo aver letto l'articolo di Taylor, Harvey ha concentrato il suo lavoro di dottorato sullo sviluppo delle prime equazioni dinamiche di stabilità nel volo degli uccelli. "Abbiamo tutte queste equazioni per gli aerei", ha detto. "Li volevo per il volo degli uccelli."
Per comprendere la stabilità e l'instabilità del volo degli uccelli e le sfide che gli uccelli devono affrontare nel controllarli, Harvey ha capito che lei e il suo team avevano bisogno di mappare tutte le proprietà inerziali degli uccelli, qualcosa che studi precedenti in gran parte ignoravano o consideravano irrilevante. Le proprietà inerziali riguardano la massa di un uccello e come è distribuita, in contrasto con le proprietà aerodinamiche che agiscono su un uccello in movimento.
Harvey e il suo team hanno raccolto 36 cadaveri di uccelli congelati, che rappresentano 22 specie molto diverse, dal Beaty Biodiversity Museum dell'Università della British Columbia a Vancouver, in Canada. Hanno sezionato i cadaveri fino a ogni singola piuma, hanno misurato la lunghezza, il peso e l'apertura alare e hanno esteso e contratto manualmente le ali per capire la gamma di movimento dei gomiti e dei polsi degli uccelli.
Hanno scritto un nuovo programma di modellazione che rappresentava diversi tipi di ali, ossa, muscoli, pelle e piume come combinazioni di centinaia di forme geometriche. Il software ha permesso loro di calcolare caratteristiche rilevanti come il baricentro e il "punto neutro" che è il centro aerodinamico dell'uccello in volo. Hanno quindi determinato quelle proprietà per ogni uccello con le sue ali configurate in una varietà di forme.
Per quantificare la stabilità e la manovrabilità di ogni uccello, hanno calcolato un fattore aerodinamico chiamato margine statico, la distanza tra il suo centro di gravità e il suo punto neutro rispetto alle dimensioni dell'ala. Se il punto neutro di un uccello si trovava dietro il suo centro di gravità, consideravano l'uccello intrinsecamente stabile, il che significa che l'uccello in volo sarebbe tornato naturalmente alla sua traiettoria di volo originale se spinto fuori equilibrio. Se il punto neutro fosse davanti al centro di gravità, l'uccello era instabile e sarebbe stato spinto più lontano dalla posizione in cui si trovava, il che è esattamente ciò che deve accadere affinché un uccello sia in grado di eseguire una manovra mozzafiato.
Quando gli ingegneri aeronautici progettano gli aerei, impostano i margini statici per ottenere le prestazioni desiderate. Ma gli uccelli, a differenza degli aeroplani, possono muovere le ali e cambiare la postura del corpo, alterando così i loro margini statici. Harvey e il suo team hanno quindi valutato anche come la stabilità intrinseca di ciascun uccello è cambiata in diverse configurazioni alari.
In effetti, Harvey e i suoi colleghi hanno adottato una struttura che è "molto simile a quella che facciamo per gli aerei" e l'hanno adattata agli uccelli, hanno affermato Aimy Wissa, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all'Università di Princeton che ha scritto un commento sul loro lavoro per Natura.
Volo flessibile
Quando i piumati dinosauri terapodi si lanciarono in aria circa 160 milioni di anni fa, erano volatori limitati, svolazzando solo su brevi distanze o in piccoli scoppi. Ma con poche eccezioni, le oltre 10,000 specie di uccelli discendenti da quei dinosauri si sono evolute in straordinarie macchine di volo, in grado di planare aggraziati e manovre acrobatiche. Questo tipo di manovrabilità richiede di sfruttare in modo controllato l'instabilità e poi di tirarne fuori.
Poiché gli uccelli moderni sono così manovrabili, i biologi presumevano che si fossero evoluti per essere sempre più instabili. "Si credeva che gli uccelli, come i jet da combattimento, si appoggiassero a queste instabilità per eseguire queste manovre davvero veloci", ha detto Harvey. "Ed è per questo che gli uccelli volano in questo modo che non possiamo ancora replicare del tutto."
Ma i ricercatori hanno scoperto che solo una delle specie esaminate, il fagiano, era completamente instabile. Quattro specie erano completamente stabili e 17 specie, inclusi rondoni e piccioni, potevano passare dal volo stabile a quello instabile trasformando le ali. "Davvero, quello che stiamo vedendo è che questi uccelli sono in grado di passare da quel tipo di stile più simile a un jet da combattimento e uno stile più simile a un jet passeggeri", ha detto Harvey.
Ulteriori modelli matematici del suo team hanno suggerito che, anziché aumentare l'instabilità degli uccelli, l'evoluzione ha preservato il loro potenziale sia di stabilità che di instabilità. In tutti gli uccelli studiati, il team di Harvey ha trovato prove che le pressioni selettive mantenevano contemporaneamente margini statici che consentivano entrambi. Di conseguenza, gli uccelli hanno la capacità di passare da una modalità stabile a una instabile e viceversa, modificando le loro proprietà di volo secondo necessità.
Gli aerei moderni non possono farlo, non solo perché le loro caratteristiche aerodinamiche e inerziali sono più fisse, ma perché avrebbero bisogno di due algoritmi di controllo molto diversi. Volo instabile significa apportare costantemente correzioni per evitare incidenti. Gli uccelli devono fare qualcosa di simile e "ci deve essere un certo livello di cognizione coinvolto in questo", ha detto Arciere di canna, ecologista comportamentale e direttore del programma di ecologia aviaria presso la Archbold Biological Station in Florida.
"Le persone hanno cercato di capire l'origine degli uccelli da quando le persone hanno studiato l'evoluzione e un grosso ostacolo è stata la complessità del volo e la nostra incapacità di decostruirlo", ha affermato Matteo Carrano, curatore di Dinosauria nel dipartimento di paleobiologia della Smithsonian Institution.
Ciò che lo sorprende di più non è che gli uccelli abbiano queste capacità di spostarsi tra modalità di volo stabili e instabili; è che alcune specie, come il fagiano, apparentemente non lo fanno. Si chiede se quelle specie non si siano mai evolute o se a un certo punto abbiano perso l'abilità, proprio come gli uccelli moderni incapaci di volare discendevano da quelli che un tempo potevano volare.
Costruire aerei migliori
Molte delle manovre di capriola, rotazione e precipitazione che gli uccelli hanno imparato non sono quelle che chiunque vorrebbe sperimentare su un aereo passeggeri. Ma i veicoli aerei senza equipaggio, noti anche come UAV o droni, sono più liberi di effettuare manovre drastiche e la loro crescente popolarità per usi militari, scientifici, ricreativi e di altro tipo sta creando loro maggiori opportunità di farlo.
"Questo è un grande passo avanti verso la generazione di UAV più manovrabili", ha detto Bhattacharya, che, dopo aver visto lo studio di Harvey, lo ha immediatamente inviato al suo gruppo di ingegneria. La maggior parte degli UAV oggi sono velivoli ad ala fissa, ideali per missioni di sorveglianza e scopi agricoli perché possono volare in modo efficiente per ore e attraversare migliaia di chilometri. Tuttavia, mancano della manovrabilità dei fragili droni quadricotteri popolari tra gli hobbisti. Ricercatori presso Airbus ed NASA stanno escogitando nuovi progetti per velivoli alati che potrebbero imitare alcuni degli incredibili talenti di manovra degli uccelli.
Taylor e il suo team sperano di analizzare come gli uccelli acquisiscono la capacità di svolgere compiti complessi mentre imparano a volare. Se i ricercatori riusciranno a comprendere davvero queste manovre, un giorno gli ingegneri potrebbero includere l'IA nella progettazione di nuovi volantini, consentendo loro di imitare la biologia non solo nell'aspetto, ma nella loro capacità di apprendere i comportamenti di volo.
Mentre apre il suo nuovo laboratorio presso l'Università della California, a Davis, Harvey sta ancora decidendo dove si troverà la sua ricerca futura nello spettro dalla ricerca di base sul volo degli uccelli alla progettazione e produzione di droni e aerei. Ma prima, sta lavorando per costruire un team di studenti di ingegneria e biologia che sono altrettanto appassionati di lavorare al confine di due campi molto diversi come lei.
"Non credo che stavo sbocciando interamente all'interno dell'ingegneria", ha detto Harvey. Quando ha iniziato a lavorare ai margini della biologia, ha sentito di poter essere più creativa. Ora, con sgomento di molti dei suoi colleghi ingegneri, trascorre lunghe ore a lavorare per perfezionare le figure degli uccelli. "Passo metà del mio tempo a disegnare", ha detto. "Ha davvero cambiato la mia prospettiva".
