In een rechthoekige kamer, gedrapeerd met camouflagenetten, vlogen vier haviken van Harris om de beurt heen en weer tussen met gras begroeide zitstokken, terwijl wetenschappers elke biomechanische gefladder registreerden. De onderzoekers namen deel aan het aloude streven om vogels te zien vliegen - hoewel hun echte interesse in dit experiment was om ze te zien landen.
In meer dan 1,500 vluchten tussen de zitstokken namen de vier haviken bijna altijd hetzelfde pad - niet de snelste of de meest energiezuinige, maar degene die hen in staat stelde het veiligst en met de meeste controle neer te strijken. Net zo Graham Taylor, een professor in de wiskundige biologie aan de Universiteit van Oxford, en zijn collega's onlangs beschreven in NATUUR, vlogen de haviken in een U-vormige boog, sloegen snel met hun vleugels om te versnellen in een duik, en vlogen vervolgens scherp omhoog in een glijvlucht, hun vleugels uitstrekkend om hun voortgang te vertragen voordat ze zich op de baars grepen.
"Ze kijken is fascinerend buitenaards", zei Lydia Frankrijk, een onderzoeksdatawetenschapper aan het Alan Turing Institute en een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Oxford die de experimenten ontwierpen en hielpen uitvoeren. Het vermogen van haviken om te landen door bijna in de lucht te stoppen, is ongeëvenaard door hun mechanische tegenhangers.
"Evolutie heeft een veel gecompliceerder vliegapparaat gecreëerd dan we ooit hebben kunnen ontwikkelen", zei Samik Bhattacharya, een assistent-professor in het laboratorium voor experimentele vloeistofmechanica aan de University of Central Florida. De redenen waarom de vliegtuigen van vandaag de manoeuvreerbaarheid van vogels niet kunnen evenaren, zijn niet alleen een kwestie van techniek. Hoewel vogels door de geschiedenis heen minutieus zijn geobserveerd en door de eeuwen heen de inspiratie vormden voor ontwerpen voor vliegmachines van Leonardo da Vinci en anderen, was de biomechanica die de manoeuvreerbaarheid van vogels mogelijk maakt grotendeels een mysterie.
A historische studie gepubliceerd afgelopen maart in NATUURis daar echter verandering in gaan brengen. Voor haar promotieonderzoek aan de Universiteit van Michigan, Christina Harvey en haar collega's ontdekten dat de meeste vogels hun vleugels tijdens de vlucht kunnen veranderen om heen en weer te klappen tussen soepel vliegen als een passagiersvliegtuig en acrobatisch vliegen als een straaljager. Hun werk maakt duidelijk dat vogels zowel de aerodynamische eigenschappen die bepalen hoe lucht over hun vleugels beweegt, als de traagheidskenmerken van hun lichaam die bepalen hoe ze door de lucht tuimelen om snelle manoeuvres te voltooien, volledig kunnen veranderen.
Deze ontdekkingen identificeerden grote, voorheen onbekende factoren die bijdroegen aan de aerobatische bekwaamheid van vogels en onthulden enkele van de evolutionaire druk die vogels zo bedreven maakte in vliegen. Ze helpen ook bij het herschrijven van de blauwdrukken die toekomstige ingenieurs zouden kunnen volgen bij het ontwerpen van vliegtuigen die zo wendbaar en aanpasbaar zijn als vogels dat kunnen, schijnbaar met moeiteloze gratie, maar gebruikmakend van formidabel snelle fysieke en mentale middelen die we net beginnen te waarderen.
Harvey, die als student werktuigbouwkunde studeerde, beschrijft haar studie van vogelvluchten als "het kwantificeren van iets dat voor mij op magie lijkt." In het begin van haar carrière, voordat ze de overstap maakte van techniek naar biologie, had ze nooit gedacht dat zij degene zou zijn die de geheimen van de vogels zou proberen te ontrafelen.
De geometrie van vogels
'Vroeger hield ik niet eens van vogels,' zei Harvey. Maar op een dag in 2016 zat ze op een rotsachtige richel in een park in de buurt van de University of British Columbia, uitrustend na een korte wandeling en na te denken over welk project ze zou nastreven als een nieuw aangestelde masterstudent in een biologielab. Omringd door meeuwen, dacht ze: “Ze vliegen echt gaaf, als je even negeert hoe vervelend ze zijn.”
De meeuw werd al snel wat ze haar 'vonkvogel' noemt, en ze gaf het al snel op om ze te vermijden en probeerde meer te begrijpen over hun vliegkracht. Maar toen Harvey dieper in de literatuur groef, realiseerde ze zich dat er grote hiaten waren in onze kennis over hoe vogels vliegen.
Ze was diep geïnspireerd door een 2001 studie dat Taylor co-auteur was terwijl hij zijn doctoraat in Oxford nastreefde. Taylor's paper was de eerste die een theoretische basis legde voor hoe vogels en andere vliegende dieren stabiliteit bereiken, de eigenschap die ervoor zorgt dat ze niet in de verkeerde richting worden geduwd.
Stabiliteit, legde Taylor uit, komt van een combinatie van inherente stabiliteit, of aangeboren weerstand tegen verstoringen, en controle, een actief vermogen om reacties op verstoringen te veranderen. Inherente stabiliteit is wat een goed papieren vliegtuigje heeft; controle is de kracht van een gevechtsvliegtuig van de vijfde generatie. Uit het onderzoek uit 2001 bleek dat inherente stabiliteit een grotere rol speelde bij de vlucht van vogels dan algemeen werd aangenomen.
Kort na het lezen van Taylors paper richtte Harvey haar doctoraatswerk op het ontwikkelen van de eerste dynamische vergelijkingen van stabiliteit in vogelvluchten. "We hebben al deze vergelijkingen voor vliegtuigen," zei ze. "Ik wilde ze voor vogelvlucht."
Om de stabiliteit en instabiliteit van vogelvluchten en de uitdagingen waarmee vogels worden geconfronteerd bij het beheersen ervan te begrijpen, realiseerde Harvey zich dat zij en haar team alle traagheidseigenschappen van vogels in kaart moesten brengen, iets dat eerdere studies grotendeels negeerden of als onbelangrijk beschouwden. De traagheidseigenschappen hebben betrekking op de massa van een vogel en hoe deze wordt verdeeld, in tegenstelling tot de aerodynamische eigenschappen die inwerken op een bewegende vogel.
Harvey en haar team verzamelden 36 bevroren vogelkadavers - die 22 zeer verschillende soorten vertegenwoordigen - uit het Beaty Biodiversity Museum van de University of British Columbia in Vancouver, Canada. Ze ontleedden de kadavers tot op elke afzonderlijke veer, namen lengte-, gewicht- en spanwijdtemetingen en strekken de vleugels handmatig uit en samengetrokken om het bewegingsbereik van de ellebogen en polsen van de vogels te bepalen.
Ze schreven een nieuw modelleringsprogramma dat verschillende soorten vleugels, botten, spieren, huid en veren voorstelde als combinaties van honderden geometrische vormen. Met de software konden ze relevante kenmerken berekenen, zoals het zwaartepunt en het "neutrale punt" dat het aerodynamische centrum van de vogel tijdens de vlucht is. Vervolgens bepaalden ze die eigenschappen voor elke vogel met zijn vleugels in verschillende vormen.
Om de stabiliteit en manoeuvreerbaarheid van elke vogel te kwantificeren, berekenden ze een aerodynamische factor die de statische marge wordt genoemd, de afstand tussen het zwaartepunt en het neutrale punt ten opzichte van de afmetingen van de vleugel. Als het neutrale punt van een vogel zich achter zijn zwaartepunt bevond, beschouwden ze de vogel als inherent stabiel, wat betekent dat de vliegende vogel van nature zou terugkeren naar zijn oorspronkelijke vliegbaan als hij uit balans zou worden geduwd. Als het neutrale punt zich voor het zwaartepunt bevond, dan was de vogel onstabiel en zou hij verder worden geduwd van de positie waarin hij zich bevond - en dat is precies wat er moet gebeuren om een vogel in staat te stellen een adembenemende manoeuvre uit te voeren.
Wanneer luchtvaartingenieurs vliegtuigen ontwerpen, bepalen ze de statische marges om de gewenste prestaties te bereiken. Maar vogels kunnen, in tegenstelling tot vliegtuigen, hun vleugels bewegen en hun lichaamshouding veranderen, waardoor hun statische marges veranderen. Harvey en haar team evalueerden daarom ook hoe de inherente stabiliteit van elke vogel veranderde in verschillende vleugelconfiguraties.
In feite hebben Harvey en haar collega's een raamwerk genomen dat "zeer vergelijkbaar is met wat we doen voor vliegtuigen" en hebben het aangepast aan vogels, zei Aimy Wissa, een assistent-professor werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan de Princeton University, die een commentaar schreef op hun werk voor NATUUR.
Flexibele vlucht
Toen gevederde therapod-dinosaurussen zich ongeveer 160 miljoen jaar geleden in de lucht lanceerden, waren het beperkte vliegers, die alleen over korte afstanden of in kleine uitbarstingen fladderden. Maar op een paar uitzonderingen na zijn de meer dan 10,000 soorten vogels die afstammen van die dinosauriërs, geëvolueerd tot buitengewone vliegmachines, die in staat zijn tot sierlijke zweefvliegen en acrobatische manoeuvres. Dat soort manoeuvreerbaarheid vereist gecontroleerd voordeel halen uit instabiliteit - en er vervolgens uit trekken.
Omdat moderne vogels zo wendbaar zijn, gingen biologen ervan uit dat ze steeds onstabieler waren geworden. "Men geloofde dat vogels, net als straaljagers, gewoon tegen deze instabiliteit aanleunen om deze echt snelle manoeuvres uit te voeren," zei Harvey. "En daarom vliegen vogels op deze manier die we nog niet helemaal kunnen repliceren."
Maar de onderzoekers ontdekten dat slechts één van de soorten waar ze naar keken, de fazant, volledig onstabiel was. Vier soorten waren volledig stabiel en 17 soorten - waaronder gierzwaluwen en duiven - konden schakelen tussen stabiele en onstabiele vlucht door hun vleugels te morphen. "Wat we echt zien, is dat deze vogels kunnen schakelen tussen dat soort meer straaljagerachtige stijl en een meer passagiersvliegtuigachtige stijl," zei Harvey.
Verdere wiskundige modellering door haar team suggereerde dat in plaats van de instabiliteit van vogels te verbeteren, evolutie hun potentieel voor zowel stabiliteit als instabiliteit heeft behouden. In alle bestudeerde vogels vond het team van Harvey bewijs dat selectiedruk tegelijkertijd statische marges handhaafde die beide mogelijk maakten. Dientengevolge hebben vogels het vermogen om van een stabiele modus naar een onstabiele modus over te schakelen en terug, waarbij ze hun vluchteigenschappen indien nodig veranderen.
Moderne vliegtuigen kunnen dat niet, niet alleen omdat hun aerodynamische en traagheidskenmerken vaster zijn, maar ook omdat ze twee heel verschillende besturingsalgoritmen nodig hebben. Onstabiele vlucht betekent constant correcties aanbrengen om crashen te voorkomen. Vogels moeten iets soortgelijks doen en "er moet een bepaald niveau van cognitie bij betrokken zijn", zei Riet Boogschutter, een gedragsecoloog en directeur van het aviaire ecologieprogramma op Archbold Biological Station in Florida.
"Mensen proberen de oorsprong van vogels te begrijpen zolang mensen evolutie bestuderen - en een groot obstakel was de complexiteit van de vlucht en ons onvermogen om het te deconstrueren," zei Mattheüs Carrano, curator van Dinosauria in de afdeling paleobiologie van het Smithsonian Institution.
Wat hem het meest verbaast, is niet dat vogels deze capaciteiten hebben om te schakelen tussen stabiele en onstabiele manieren van vliegen; het is dat sommige soorten, zoals de fazant, dat schijnbaar niet doen. Hij vraagt zich af of die soorten het nooit hebben ontwikkeld of dat ze het vermogen op een gegeven moment hebben verloren, net zoals moderne loopvogels afstammen van degenen die ooit konden vliegen.
Betere vliegtuigen bouwen
Veel van de salto's, draaiende en vallende manoeuvres die vogels onder de knie hebben, zijn niet degene die iemand zou willen ervaren in een passagiersvliegtuig. Maar onbemande luchtvaartuigen, ook bekend als UAV's of drones, zijn vrijer om drastische manoeuvres uit te voeren, en hun toenemende populariteit voor militair, wetenschappelijk, recreatief en ander gebruik biedt hen meer mogelijkheden om dit te doen.
"Dit is een grote stap in de richting van het genereren van meer manoeuvreerbare UAV's", zei Bhattacharya, die, toen hij Harvey's studie zag, deze onmiddellijk naar zijn technische groep stuurde. De meeste UAV's van tegenwoordig zijn vliegtuigen met vaste vleugels, die geweldig zijn voor bewakingsmissies en landbouwdoeleinden, omdat ze urenlang efficiënt kunnen vliegen en duizenden kilometers kunnen afleggen. Ze missen echter de wendbaarheid van de fragiele quadcopters-drones die populair zijn bij hobbyisten. Onderzoekers bij luchtvliegtuig en NASA bedenken nieuwe ontwerpen voor gevleugelde vliegtuigen die enkele van de ongelooflijke manoeuvreertalenten van vogels kunnen nabootsen.
Taylor en zijn team hopen te analyseren hoe vogels het vermogen verwerven om complexe taken uit te voeren terwijl ze leren vliegen. Als onderzoekers deze manoeuvres echt kunnen begrijpen, kunnen ingenieurs ooit AI opnemen in het ontwerp van nieuwe flyers, waardoor ze de biologie niet alleen qua uiterlijk kunnen nabootsen, maar ook in hun vermogen om vlieggedrag te leren.
Terwijl ze haar nieuwe lab opzet aan de Universiteit van Californië, Davis, is Harvey nog steeds aan het beslissen waar haar toekomstige onderzoek zal liggen op het spectrum, van fundamenteel onderzoek naar vogelvluchten tot het ontwerpen en vervaardigen van drones en vliegtuigen. Maar eerst werkt ze aan het opbouwen van een team van ingenieurs- en biologiestudenten die net zo gepassioneerd zijn over het werken op de grens van twee heel verschillende vakgebieden als zij.
"Ik denk niet dat ik volledig tot bloei kwam binnen de techniek," zei Harvey. Toen ze aan de rand van de biologie begon te werken, had ze het gevoel dat ze creatiever kon zijn. Nu, tot ongenoegen van veel van haar technische collega's, besteedt ze lange uren aan het perfectioneren van vogelfiguren. "Ik besteed de helft van mijn tijd aan tekenen", zei ze. "Het heeft mijn perspectief echt veranderd."
