위장 그물이 드리워진 직사각형의 방에서 XNUMX마리의 Harris' 매가 교대로 풀로 덮인 횃대 사이를 왔다 갔다 하는 동안 과학자들은 모든 생체역학적 펄럭임을 기록했습니다. 연구원들은 새가 날아가는 것을 관찰하는 유서 깊은 추구에 참여하고 있었습니다. 비록 이 실험에서 그들의 진정한 관심은 새가 착륙하는 것을 관찰하는 것이었지만.
1,500번 이상의 비행에서 매 XNUMX마리는 거의 항상 같은 길을 걸었습니다. 가장 빠르거나 가장 에너지 효율적이지는 않지만 가장 안전하고 통제력 있게 앉을 수 있는 경로를 선택했습니다. 처럼 그레이엄 테일러, 옥스포드 대학의 수학 생물학 교수와 그의 동료들 최근 설명 in 자연, 매는 U자 모양의 호를 그리며 날아올랐고, 급강하하기 위해 날개를 퍼덕거렸고, 급강하하면서 위로 급상승하고, 날개를 펴서 진행 속도를 늦추고 횃대를 움켜잡았습니다.
"그들을 보는 것은 매혹적인 외계인입니다."라고 말했습니다. 리디아 프랑스, Alan Turing Institute의 연구 데이터 과학자이자 실험을 설계하고 실행하는 데 도움을 준 옥스포드 대학의 박사후 연구원입니다. 공중에서 거의 멈춰서 착지하는 매의 능력은 기계적 대응물과 비교할 수 없습니다.
“진화는 우리가 공학할 수 있었던 것보다 훨씬 더 복잡한 비행 장치를 만들었습니다.”라고 말했습니다. 삼익 바타차랴, 센트럴 플로리다 대학의 실험 유체 역학 연구실 조교수. 오늘날의 항공기가 조류의 기동성을 따라가지 못하는 이유는 단순히 엔지니어링의 문제가 아닙니다. 새는 역사를 통해 세심하게 관찰되었으며 수세기 동안 Leonardo da Vinci와 다른 사람들에 의해 비행 기계 설계에 영감을 주었지만 새의 기동성을 가능하게 하는 생체 역학은 대체로 미스터리였습니다.
A 랜드 마크 연구 지난 XNUMX월 출간된 자연그러나, 그것을 바꾸기 시작했습니다. 미시간 대학교에서 박사 학위 연구를 위해 크리스티나 하비 그리고 그녀의 동료들은 대부분의 새들이 비행 중에 날개를 변형하여 여객기처럼 부드럽게 날고 전투기처럼 곡예적으로 날 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들의 연구는 새가 날개 위로 공기가 움직이는 방식을 제어하는 공기역학적 특성과 빠른 기동을 완료하기 위해 공기를 통해 구르는 방법을 결정하는 몸의 관성 특성을 모두 완전히 변경할 수 있음을 분명히 합니다.
이러한 발견은 새의 곡예 비행 능력에 기여하는 이전에 알려지지 않은 큰 요인을 확인하고 새를 비행에 능숙하게 만든 진화적 압력의 일부를 밝혀냈습니다. 그들은 또한 새가 관리하는 것처럼 쉽게 조종할 수 있고 적응할 수 있는 항공기를 설계하려고 할 때 미래의 엔지니어가 따를 수 있는 청사진을 다시 작성하는 데 도움이 됩니다.
학부에서 기계 공학을 공부한 Harvey는 조류 비행에 대한 자신의 연구를 "나에게 마술처럼 보이는 것을 정량화하는 것"이라고 설명합니다. 경력 초기에 공학에서 생물학으로 전환하기 전에 그녀는 새의 비밀을 분별하려는 사람이 자신이 될 거라고는 생각하지 못했습니다.
새의 기하학
Harvey는“나는 새를 좋아하지도 않았습니다. 그러나 2016년의 어느 날, 그녀는 브리티시 컬럼비아 대학교 근처 공원의 바위 난간에 앉아 짧은 하이킹을 마치고 휴식을 취하며 생물학 연구소에서 새로 임명된 석사 과정 학생으로서 어떤 프로젝트를 추진할 것인지 생각했습니다. 갈매기들에게 둘러싸여 있으면서 그녀는 이렇게 생각했습니다.
갈매기는 곧 그녀가 "불꽃"이라고 부르는 새가 되었고, 그녀는 곧 그들의 비행 능력에 대해 더 많이 이해하기 위해 그들을 피하는 것을 포기했습니다. 그러나 Harvey는 문헌을 더 깊이 파고들면서 새가 어떻게 나는지에 대한 우리의 지식에 큰 격차가 있음을 깨달았습니다.
그녀는 깊은 영감을 받았습니다. 2001 연구 Taylor가 옥스포드에서 박사 학위를 취득하는 동안 공동 저술한 것입니다. Taylor의 논문은 새와 다른 날으는 동물이 잘못된 방향으로 밀쳐지지 않도록 하는 특성인 안정성을 달성하는 방법에 대한 이론적 토대를 최초로 마련한 것입니다.
Taylor는 안정성은 섭동에 대한 선천적인 저항과 섭동에 대한 반응을 변경하는 능동적인 능력의 조합에서 비롯된다고 설명합니다. 고유한 안정성은 좋은 종이 비행기가 가지고 있는 것입니다. 제어는 2001세대 전투기의 강점입니다. XNUMX년 연구에 따르면 타고난 안정성은 일반적으로 생각하는 것보다 새의 비행에 더 큰 역할을 했습니다.
Taylor의 논문을 읽은 직후 Harvey는 박사 과정을 새 비행의 안정성에 대한 최초의 동적 방정식을 개발하는 데 집중했습니다. "우리는 항공기에 대한 이러한 모든 방정식을 가지고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "나는 새 비행을 위해 그것들을 원했습니다."
새 비행의 안정성과 불안정성과 새가 새를 제어할 때 직면하는 문제를 이해하기 위해 Harvey와 그녀의 팀은 이전 연구에서 대부분 무시하거나 중요하지 않은 것으로 취급했던 새의 모든 관성 특성을 매핑해야 한다는 것을 깨달았습니다. 관성 속성은 새의 질량 및 분포 방식과 관련이 있으며, 움직이는 새에 작용하는 공기역학적 속성과 대조됩니다.
Harvey와 그녀의 팀은 캐나다 밴쿠버에 있는 브리티시 컬럼비아 대학의 비티 생물다양성 박물관에서 36종의 매우 다른 종을 대표하는 22개의 냉동 새 시체를 수집했습니다. 그들은 시체를 각각의 깃털까지 해부하고 길이, 무게 및 날개 길이를 측정하고 새의 팔꿈치와 손목의 움직임 범위를 파악하기 위해 날개를 수동으로 늘리거나 줄였습니다.
그들은 날개, 뼈, 근육, 피부, 깃털을 수백 가지 기하학적 모양의 조합으로 표현하는 새로운 모델링 프로그램을 작성했습니다. 소프트웨어를 통해 무게 중심 및 비행 중인 새의 공기역학적 중심인 "중립점"과 같은 관련 특성을 계산할 수 있었습니다. 그런 다음 그들은 날개가 다양한 모양으로 구성된 각 새의 속성을 결정했습니다.
각 새의 안정성과 기동성을 정량화하기 위해 그들은 정적 마진(static margin)이라고 하는 공기역학적 요소, 즉 날개 크기에 대한 무게 중심과 중립점 사이의 거리를 계산했습니다. 새의 중성점이 무게 중심 뒤에 있는 경우 새는 본질적으로 안정적인 것으로 간주했습니다. 즉, 날아가는 새가 균형을 벗어나면 원래의 비행 경로로 자연스럽게 돌아갑니다. 중성점이 무게 중심 앞에 있다면 새는 불안정하고 원래 있던 위치에서 더 멀리 밀려날 것입니다. 이는 새가 숨막히는 기동을 할 수 있기 위해 반드시 일어나야 하는 일입니다.
항공 엔지니어는 비행기를 설계할 때 원하는 성능을 달성하기 위해 정적 여유를 설정합니다. 그러나 새는 비행기와 달리 날개를 움직이고 몸의 자세를 바꿀 수 있어 정적 여백을 변경할 수 있습니다. 따라서 Harvey와 그녀의 팀은 각 새의 고유한 안정성이 다른 날개 구성에서 어떻게 변했는지 평가했습니다.
실제로 Harvey와 그녀의 동료들은 "비행기에 대해 수행하는 것과 매우 유사한" 프레임워크를 가져와 새에 적용했다고 말했습니다. 에이미 위사, 프린스턴 대학의 기계 및 항공 우주 공학 조교수는 자신의 작업에 대한 논평을 썼습니다. 자연.
유연한 비행
깃털 수각류 공룡이 약 160억 10,000만 년 전에 공중으로 날아올랐을 때, 그들은 제한된 비행체였으며 짧은 거리나 아주 작은 폭발로만 펄럭였습니다. 그러나 몇 가지 예외를 제외하고는 그 공룡의 후손인 XNUMX종 이상의 새가 우아한 활공과 곡예 동작을 할 수 있는 특별한 비행 기계로 진화했습니다. 이러한 종류의 기동성은 불안정성을 통제된 이점을 취한 다음 제거해야 합니다.
현대의 새는 기동성이 뛰어나기 때문에 생물학자들은 새가 점점 더 불안정하게 진화했다고 가정했습니다. Harvey는 "전투기와 같은 새들은 이러한 매우 빠른 기동을 수행하기 위해 이러한 불안정성에 일종의 몸을 기대고 있다고 믿었습니다."라고 말했습니다. "그리고 그것이 새들이 우리가 아직 복제할 수 없는 방식으로 날아가는 이유입니다."
그러나 연구자들은 그들이 관찰한 종 중 단 하나인 꿩만이 완전히 불안정하다는 것을 발견했습니다. 17종은 완전히 안정적이었고, 스위프트와 비둘기를 포함한 XNUMX종은 날개를 변형하여 안정적인 비행과 불안정한 비행 사이를 전환할 수 있었습니다. "정말로, 우리가 보고 있는 것은 이 새들이 전투기와 같은 스타일과 여객기와 같은 스타일 사이에서 전환할 수 있다는 것입니다."라고 Harvey가 말했습니다.
그녀의 팀이 수행한 추가 수학적 모델링은 새의 불안정성을 강화하기보다 진화가 안정성과 불안정성에 대한 잠재력을 보존하고 있음을 시사했습니다. 연구된 모든 새에서 Harvey의 팀은 선택 압력이 두 가지 모두를 가능하게 하는 정적 여백을 동시에 유지하고 있다는 증거를 발견했습니다. 결과적으로 새는 안정 모드에서 불안정 모드로 전환하고 필요에 따라 비행 특성을 변경할 수 있습니다.
현대 항공기는 공기 역학 및 관성 기능이 더 고정되어 있기 때문에뿐만 아니라 두 가지 매우 다른 제어 알고리즘이 필요하기 때문에 그렇게 할 수 없습니다. 불안정한 비행은 충돌을 피하기 위해 지속적으로 수정하는 것을 의미합니다. 새들은 비슷한 일을 해야 하며 "이와 관련하여 어느 정도의 인지 능력이 있어야 합니다"라고 말했습니다. 리드 보우먼, 행동 생태학자이자 플로리다 Archbold Biological Station의 조류 생태학 프로그램 책임자.
"사람들은 진화를 연구하는 동안 새의 기원을 이해하려고 노력해 왔으며 주요 장애물은 비행의 복잡성과 그것을 분해할 수 없는 우리의 무능력이었습니다"라고 말했습니다. 매튜 카라노, Smithsonian Institution의 고생물학 부서의 공룡 큐레이터.
그를 가장 놀라게 한 것은 새들이 안정적인 비행 모드와 불안정한 비행 모드 사이를 전환하는 이러한 능력을 가지고 있다는 것이 아닙니다. 꿩과 같은 일부 종은 그렇지 않은 것 같습니다. 그는 그 종이 결코 진화하지 않았는지, 아니면 현대의 날지 못하는 새가 한때 날 수 있었던 새의 후손인 것처럼 어느 시점에서 능력을 상실한 것인지 궁금해합니다.
더 나은 항공기 제작
새들이 숙달한 공중제비, 회전 및 급강하 기동 중 상당수는 여객기에서 경험하고 싶은 것이 아닙니다. 그러나 UAV 또는 무인 항공기라고도 하는 무인 항공기는 과감한 기동이 더 자유롭고 군사, 과학, 레크리에이션 및 기타 용도로 인기가 높아짐에 따라 더 많은 기회가 만들어지고 있습니다.
Harvey의 연구를 보고 즉시 그의 엔지니어링 그룹에 보낸 Bhattacharya는 "이것은 더 기동성 있는 UAV를 생성하기 위한 훌륭한 단계입니다."라고 말했습니다. 오늘날 대부분의 UAV는 고정익 항공기로, 몇 시간 동안 효율적으로 비행하고 수천 킬로미터를 횡단할 수 있기 때문에 감시 임무 및 농업 목적에 적합합니다. 그러나 애호가들 사이에서 인기 있는 깨지기 쉬운 쿼드콥터 드론의 기동성은 부족합니다. 연구원 에어 버스 와 NASA 그들은 새의 놀라운 기동 능력을 모방할 수 있는 날개 달린 항공기를 위한 참신한 디자인을 꿈꾸고 있습니다.
Taylor와 그의 팀은 새들이 어떻게 비행을 배우면서 복잡한 작업을 수행하는 능력을 획득하는지 분석하기를 희망하고 있습니다. 연구원들이 이러한 기동을 정말로 이해할 수 있다면 엔지니어는 언젠가 새로운 전단지 디자인에 AI를 포함시켜 외관뿐만 아니라 비행 행동을 배우는 능력에서 생물학을 모방할 수 있게 될 것입니다.
캘리포니아 대학교 데이비스에 새 연구소를 설립하면서 Harvey는 새 비행에 대한 기초 연구부터 드론 및 비행기 설계 및 제조에 이르는 스펙트럼에서 미래 연구를 어디에서 수행할지 결정하고 있습니다. 그러나 먼저 그녀는 자신과 마찬가지로 매우 다른 두 분야의 경계에서 일하는 데 열정적인 공학 및 생물학 학생 팀을 구성하기 위해 노력하고 있습니다.
Harvey는 “제가 완전히 엔지니어링 분야에서 꽃을 피우고 있다고 생각하지 않습니다. 그녀가 생물학의 가장자리에서 일하기 시작했을 때, 그녀는 더 창의적일 수 있다고 느꼈습니다. 이제 그녀의 많은 엔지니어링 동료들은 실망스럽게도 새 모양을 완성하는 데 오랜 시간을 보냅니다. 그녀는 "나는 그림 그리는 데 절반 시간을 보낸다"고 말했다. “제 관점을 정말 바꿨어요.”
