בחדר מלבני עטוף ברשת הסוואה, ארבעה נצים של האריס התחלפו בטיסה הלוך ושוב בין מוטות מכוסי דשא בזמן שמדענים תיעדו כל רפרוף ביו-מכני שלהם. החוקרים השתתפו במרדף הוותיק של צפייה בציפורים עפות - למרות שבניסוי זה, האינטרס האמיתי שלהם היה לצפות בהן נוחתות.
בלמעלה מ-1,500 טיסות בין המוטות, ארבעת הנצים כמעט תמיד נקטו באותה דרך - לא המהירה ביותר או החסכונית ביותר באנרגיה, אלא זו שאפשרה להם להתיישב בצורה הבטוחה ביותר ועם השליטה הגדולה ביותר. כפי ש גרהם טיילור, פרופסור לביולוגיה מתמטית באוניברסיטת אוקספורד, ועמיתיו תואר לאחרונה in טבע, הניצים עפו בקשת בצורת U, מנפנפים במהירות בכנפיהם כדי להאיץ לצלילה, ואז שוטפים בחדות כלפי מעלה בגלישה, מותחים את כנפיהם כדי להאט את התקדמותם לפני שהם תופסים את המוט.
"הצפייה בהם היא זרה באופן מרתק," אמר לידיה צרפת, מדען נתונים מחקריים במכון אלן טיורינג וחוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת אוקספורד שתכנן ועזר להפעיל את הניסויים. יכולתם של נצים לנחות כמעט על ידי עצירה באוויר אינה דומה למקביליהם המכניים.
"האבולוציה יצרה מכשיר טיסה הרבה יותר מסובך ממה שאי פעם הצלחנו להנדס", אמר סמיק בהטצ'ריה, עוזר פרופסור במעבדת מכניקת נוזלים ניסיונית באוניברסיטת מרכז פלורידה. הסיבות לכך שהמטוסים של היום אינם יכולים להתאים ליכולת תמרון של עופות אינן רק עניין של הנדסה. למרות שציפורים נצפו בקפידה לאורך ההיסטוריה והיוו השראה לעיצובים למכונות מעופפות של ליאונרדו דה וינצ'י ואחרים במשך מאות שנים, הביומכניקה שמאפשרת את יכולת התמרון של הציפורים הייתה ברובה בגדר תעלומה.
A מחקר היסטורי פורסם במרץ האחרון ב טבעעם זאת, החלה לשנות זאת. למחקר הדוקטורט שלה באוניברסיטת מישיגן, כריסטינה הארווי ועמיתיה גילו שרוב הציפורים יכולות לשנות את כנפיהן באמצע הטיסה כדי להתהפך קדימה ואחורה בין טיסה חלקה כמו מטוס נוסעים לבין טיסה אקרובטית כמו מטוס קרב. עבודתם מבהירה שציפורים יכולות לשנות לחלוטין הן את המאפיינים האווירודינמיים השולטים כיצד האוויר נע על כנפיהן והן את המאפיינים האינרציאליים של גופם שקובעים כיצד הם נופלים באוויר כדי להשלים תמרונים מהירים.
תגליות אלו זיהו גורמים גדולים, שלא ידועים בעבר, התורמים ליכולת האווירובטית של הציפורים וחשפו כמה מהלחצים האבולוציוניים שגרמו לציפורים להיות כל כך בקיאות בתעופה. הם גם עוזרים לנסח מחדש את השרטוטים שמהנדסים עתידיים עשויים לעקוב אחריהם כאשר מנסים לעצב מטוסים ניתנים לתמרון ומסתגלים כפי שציפורים מצליחות להיות, לכאורה בחן ללא מאמץ אך בהסתמך על משאבים פיזיים ונפשיים מהירים להפליא שאנו רק מתחילים להעריך.
הארווי, שלמדה הנדסת מכונות כתואר ראשון, מתארת את לימודיה בטיסת ציפורים כ"כימת משהו שבעיניי נראה כמו קסם". בתחילת הקריירה שלה, לפני שעברה מהנדסה לביולוגיה, היא מעולם לא חשבה שהיא זו שתנסה להבחין בסודות הציפורים.
הגיאומטריה של הציפורים
"אפילו פעם לא אהבתי ציפורים," אמר הארווי. אולם יום אחד בשנת 2016, היא ישבה על מדף סלעי בפארק ליד אוניברסיטת קולומביה הבריטית, נחה לאחר טיול קצר וחשבה באיזה פרויקט להמשיך כסטודנטית לתואר שני שזה עתה מונה במעבדה לביולוגיה. מוקפת בשחפים, היא חשבה: "הם עפים ממש מגניב, אם תתעלם כמה הם מעצבנים."
השחף הפך במהרה למה שהיא מכנה ציפור ה"ניצוץ" שלה, ועד מהרה היא ויתרה על ההתחמקות מהם לטובת ניסיון להבין יותר על כוח המעוף שלהם. אבל כשהארווי התעמק בספרות, היא הבינה שיש פערים גדולים בידע שלנו על איך ציפורים עפות.
היא קיבלה השראה עמוקה מ מחקר 2001 שטיילור היה שותף לכתיבה בזמן שהוא למד את הדוקטורט שלו באוקספורד. המאמר של טיילור היה הראשון שהציב בסיס תיאורטי לאופן שבו ציפורים וחיות מעופפות אחרות משיגות יציבות, התכונה שמונעת מהן להידחף לכיוון הלא נכון.
יציבות, הסביר טיילור, מגיעה משילוב של יציבות אינהרנטית, או התנגדות מולדת להפרעות, ושליטה, יכולת אקטיבית לשנות תגובות להפרעות. יציבות אינהרנטית היא מה שיש למטוס נייר טוב; השליטה היא הכוח של מטוס קרב מהדור החמישי. המחקר משנת 2001 הראה שליציבות אינהרנטית חלק גדול יותר במעוף הציפורים ממה שסברו בדרך כלל.
זמן קצר לאחר קריאת המאמר של טיילור, הארווי מיקדה את עבודת הדוקטורט שלה בפיתוח המשוואות הדינמיות הראשונות של יציבות בטיסת ציפורים. "יש לנו את כל המשוואות האלה למטוסים", אמרה. "רציתי אותם לטיסת ציפורים."
כדי להבין את היציבות וחוסר היציבות של מעוף הציפורים ואת האתגרים העומדים בפני ציפורים בשליטה בהן, הארווי הבינה שהיא והצוות שלה צריכים למפות את כל תכונות האינרציה של ציפורים, דבר שמחקרים קודמים התעלמו ממנו או התייחסו אליו כבלתי חשוב. תכונות האינרציה מתייחסות למסה של ציפור ולאופן הפצתה, בניגוד לתכונות האווירודינמיות הפועלות על ציפור בתנועה.
הארווי והצוות שלה אספו 36 גופות ציפורים קפואות - המייצגות 22 מינים שונים מאוד - ממוזיאון המגוון הביולוגי של Beaty באוניברסיטת קולומביה הבריטית בוונקובר, קנדה. הם ניתחו את הגופות עד כל נוצה בודדת, לקחו מדידות אורך, משקל ומוטת כנפיים, והרחיבו וכיוצו באופן ידני את הכנפיים כדי להבין את טווח התנועה של המרפקים ופרקי הידיים של הציפורים.
הם כתבו תוכנית דוגמנות חדשה שייצגה סוגים שונים של כנפיים, עצמות, שרירים, עור ונוצות כשילובים של מאות צורות גיאומטריות. התוכנה אפשרה להם לחשב מאפיינים רלוונטיים כמו מרכז הכובד ו"הנקודה הנייטרלית" שהיא המרכז האווירודינמי של הציפור בטיסה. לאחר מכן הם קבעו את המאפיינים הללו עבור כל ציפור עם כנפיה במגוון צורות.
כדי לכמת את היציבות ויכולת התמרון של כל ציפור, הם חישבו גורם אווירודינמי הנקרא השוליים הסטטיים, המרחק בין מרכז הכובד שלה לנקודה הנייטרלית שלה ביחס לממדי הכנף. אם הנקודה הנייטרלית של ציפור הייתה מאחורי מרכז הכובד שלה, הם חשבו שהציפור יציבה מטבעה, כלומר, הציפור המעופפת תחזור באופן טבעי לנתיב הטיסה המקורי שלה אם תדחה אותה מאיזון. אם הנקודה הנייטרלית הייתה מול מרכז הכובד, אז הציפור הייתה לא יציבה והייתה נדחקת רחוק יותר מהמיקום בו היא הייתה - וזה בדיוק מה שצריך לקרות כדי שציפור תוכל לבצע תמרון עוצר נשימה.
כאשר מהנדסי אווירונאוטיקה מתכננים מטוסים, הם מגדירים את השוליים הסטטיים כדי להשיג את הביצועים הרצויים. אבל ציפורים, בניגוד למטוסים, יכולות להזיז את כנפיהן ולשנות את תנוחות הגוף שלהן, ובכך לשנות את השוליים הסטטיים שלהן. לכן הארווי והצוות שלה העריכו גם כיצד היציבות המובנית של כל ציפור השתנתה בתצורות כנפיים שונות.
למעשה, הארווי ועמיתיה לקחו מסגרת ש"דומה מאוד למה שאנחנו עושים עבור מטוסים" והתאימו אותה לציפורים. איימי ויסה, עוזר פרופסור להנדסת מכונות וחלל באוניברסיטת פרינסטון שכתבו פרשנות על עבודתם עבור טבע.
טיסה גמישה
כאשר דינוזאורים מנוצים שיגרו את עצמם לאוויר לפני כ-160 מיליון שנה, הם היו טיסנים מוגבלים, שהתנופפו רק למרחקים קצרים או בהתפרצויות זעירות. אבל למעט חריגים בודדים בלבד, יותר מ-10,000 מיני ציפורים שצאצאו מאותם דינוזאורים התפתחו למכונות תעופה יוצאות דופן, המסוגלות לגלוש חינני ולתמרונים אקרובטיים. יכולת תמרון מהסוג הזה דורשת ניצול מבוקר של חוסר היציבות - ואז לצאת ממנה.
מכיוון שציפורים מודרניות כל כך ניתנות לתמרון, הביולוגים הניחו שהן התפתחו להיות יותר ויותר לא יציבות. "האמינו שציפורים, כמו מטוסי קרב, פשוט נשענות לתוך חוסר היציבות האלה כדי לבצע את התמרונים המהירים האלה", אמר הארווי. "וזו הסיבה שציפורים עפות בצורה כזו שאנחנו לא ממש יכולים לשכפל עדיין."
אבל החוקרים גילו שרק אחד מהמינים שהם הסתכלו עליו, הפסיון, היה בלתי יציב לחלוטין. ארבעה מינים היו יציבים לחלוטין, ו-17 מינים - כולל סופתות ויונים - יכלו לעבור בין תעופה יציבה ללא יציבה על ידי שינוי כנפיים. "באמת, מה שאנחנו רואים זה שהציפורים האלה מסוגלות לעבור בין סוג כזה של סגנון יותר דמוי מטוס קרב לסגנון יותר דמוי מטוס נוסעים", אמר הארווי.
מודלים מתמטיים נוספים על ידי הצוות שלה העלו כי במקום לשפר את חוסר היציבות של ציפורים, האבולוציה שימרה את הפוטנציאל שלהן ליציבות וחוסר יציבות. בכל הציפורים שנחקרו, הצוות של הארווי מצא ראיות לכך שלחצי הבחירה שומרים בו זמנית על שוליים סטטיים שאפשרו את שניהם. כתוצאה מכך, לציפורים יש את היכולת לעבור ממצב יציב למצב לא יציב ובחזרה, ולשנות את תכונות הטיסה שלהן לפי הצורך.
מטוסים מודרניים לא יכולים לעשות זאת, לא רק בגלל שהמאפיינים האווירודינמיים והאינרציאליים שלהם קבועים יותר אלא בגלל שהם יצטרכו שני אלגוריתמי בקרה שונים מאוד. טיסה לא יציבה פירושה ביצוע כל הזמן תיקונים כדי למנוע התרסקות. ציפורים חייבות לעשות משהו דומה ו"חייבת להיות רמה מסוימת של הכרה מעורבת בזה", אמר ריד באומן, אקולוגית התנהגותית ומנהלת התוכנית לאקולוגיה של עופות בתחנה הביולוגית Archbold בפלורידה.
"אנשים ניסו להבין את מקור הציפורים כל עוד אנשים חוקרים את האבולוציה - ומכשול מרכזי היה מורכבות הטיסה וחוסר היכולת שלנו לפרק אותה", אמר. מתיו קאראנו, אוצר של דינוזאוריה במחלקה לפלאוביולוגיה של מכון סמיתסוניאן.
מה שהכי מפתיע אותו הוא לא שלציפורים יש את היכולות האלה לעבור בין מצבי תעופה יציבים לבלתי יציבים; זה שחלק מהמינים, כמו הפסיון, לכאורה לא. הוא תוהה אם המינים האלה מעולם לא פיתחו את זה או שהם איבדו את היכולת בשלב מסוים, בדיוק כפי שציפורים מודרניות חסרות מעוף יצאו מאלה שפעם יכלו לעוף.
בניית מטוסים טובים יותר
רבים מתמרוני ההסתלטות, הסיבובים והצניחה שהציפורים שלטו בהם אינם כאלה שמישהו היה רוצה לחוות במטוס נוסעים. אבל כלי טיס ללא צוות, הידועים גם כמל"טים או מל"טים, חופשיים יותר לבצע תמרונים דרסטיים, והפופולריות הגוברת שלהם לשימושים צבאיים, מדעיים, פנאי ואחרים יוצרת עבורם יותר הזדמנויות לעשות זאת.
"זהו צעד גדול לקראת יצירת מל"טים ניתנים לתמרון", אמר בהטצ'ריה, שראה את המחקר של הארווי, שלח אותו מיד לקבוצת ההנדסה שלו. רוב המל"טים כיום הם מטוסים בעלי כנף קבועה, שהם מצוינים למשימות מעקב ולמטרות חקלאיות מכיוון שהם יכולים לטוס ביעילות במשך שעות ולעבור אלפי קילומטרים. עם זאת, חסרה להם יכולת התמרון של מל"טים שברירי ה-quadcopters הפופולריים בקרב חובבים. חוקרים ב איירבוס ו נאס"א חולמים על עיצובים חדשים למטוסים בעלי כנף שיכולים לחקות כמה מכישרונות התמרון המדהימים של ציפורים.
טיילור והצוות שלו מקווים לנתח כיצד ציפורים רוכשות את היכולת לבצע משימות מורכבות תוך כדי לימוד לעוף. אם החוקרים באמת יוכלו להבין את התמרונים האלה, מהנדסים עשויים יום אחד לכלול בינה מלאכותית בתכנון של עלונים חדשים, מה שיאפשר להם לחקות ביולוגיה לא רק במראה, אלא גם ביכולתם ללמוד התנהגויות טיסה.
כשהיא מקימה את המעבדה החדשה שלה באוניברסיטת קליפורניה, דייויס, הארווי עדיין מחליטה היכן המחקר העתידי שלה יהיה על הספקטרום, החל ממחקר בסיסי על מעוף ציפורים ועד לתכנון וייצור של מל"טים ומטוסים. אבל קודם כל, היא עובדת כדי לבנות צוות של סטודנטים להנדסה וביולוגיה שמתלהבים מהעבודה בגבול שני תחומים שונים מאוד כמוה.
"אני לא חושב שפרחתי לגמרי בתוך ההנדסה," אמר הארווי. כשהתחילה לעבוד בקצה הביולוגיה, היא הרגישה שהיא יכולה להיות יותר יצירתית. כעת, למורת רוחם של רבים מעמיתיה להנדסה, היא משקיעה שעות ארוכות בעבודה על שכלול דמויות ציפורים. "אני משקיעה חצי מהזמן שלי בציור," היא אמרה. "זה באמת שינה את נקודת המבט שלי."
