I et rektangulært rom drapert i kamuflasjenett, byttet fire Harris-hauker på å fly frem og tilbake mellom gresskledde abbor mens forskerne registrerte hver eneste biomekaniske flagring. Forskerne deltok i den ærefulle jakten på å se fugler fly - selv om deres virkelige interesse i dette eksperimentet var å se dem lande.
I mer enn 1,500 flyvninger mellom abborene tok de fire haukene nesten alltid samme vei - ikke den raskeste eller mest energieffektive, men den som gjorde at de kunne sitte tryggest og med mest kontroll. Som Graham Taylor, professor i matematisk biologi ved University of Oxford, og hans kolleger beskrevet nylig in Natur, fløy haukene i en U-formet bue, og viftet raskt med vingene for å akselerere inn i et dykk, og deretter svepte de skarpt oppover i et gli, og strakte ut vingene for å bremse fremgangen før de griper tak i abboren.
"Å se på dem er fascinerende fremmed," sa Lydia Frankrike, en forskningsdataforsker ved Alan Turing Institute og en postdoktor ved University of Oxford som designet og hjalp til med å kjøre eksperimentene. Haukenes evne til å lande ved å nesten stoppe i luften er uovertruffen av deres mekaniske kolleger.
"Evolusjonen har skapt en langt mer komplisert flygende enhet enn vi noen gang har vært i stand til å konstruere," sa Samik Bhattacharya, en assisterende professor i laboratoriet for eksperimentell væskemekanikk ved University of Central Florida. Årsakene til at dagens fly ikke kan matche fuglenes manøvrerbarhet er ikke bare et spørsmål om ingeniørkunst. Selv om fugler har blitt nøye observert gjennom historien og har inspirert design for flygende maskiner av Leonardo da Vinci og andre gjennom århundrene, har biomekanikken som gjør fuglenes manøvrerbarhet mulig i stor grad vært et mysterium.
A landemerkeundersøkelse publisert i mars i Naturhar imidlertid begynt å endre det. For hennes doktorgradsforskning ved University of Michigan, Christina Harvey og kollegene hennes fant ut at de fleste fugler kan forandre vingene sine midt i flyet for å bla frem og tilbake mellom å fly jevnt som et passasjerfly og fly akrobatisk som et jagerfly. Arbeidet deres gjør det klart at fugler fullstendig kan endre både de aerodynamiske egenskapene som styrer hvordan luft beveger seg over vingene og treghetsegenskapene til kroppene deres som bestemmer hvordan de tumler gjennom luften for å fullføre raske manøvrer.
Disse oppdagelsene identifiserte store, tidligere ukjente faktorer som bidro til fuglers aerobatiske dyktighet og avslørte noen av de evolusjonære presset som gjorde fugler så dyktige til å fly. De er også med på å omformulere tegningene som fremtidige ingeniører kan følge når de forsøker å designe fly så manøvrerbare og tilpasningsdyktige som fugler klarer å være, tilsynelatende med uanstrengt ynde, men med formidabelt raske fysiske og mentale ressurser vi akkurat har begynt å sette pris på.
Harvey, som studerte maskinteknikk som bachelor, beskriver studiene hennes av fugleflukt som å "kvantifisere noe som for meg ser ut som magi." Tidlig i karrieren, før hun gikk over fra ingeniørfag til biologi, trodde hun aldri at hun skulle være den som prøvde å finne ut av fuglenes hemmeligheter.
Fuglenes geometri
"Jeg pleide ikke engang å like fugler," sa Harvey. Likevel satt hun en dag i 2016 på en steinete avsats i en park nær University of British Columbia, og hvilte etter en kort fottur og tenkte på hvilket prosjekt hun skulle satse på som nyutnevnt masterstudent i et biologilaboratorium. Omringet av måker tenkte hun: "De flyr veldig kult, hvis du ser bort fra hvor irriterende de er."
Måken ble raskt det hun kaller "gnist"-fuglen sin, og hun ga snart opp å unngå dem til fordel for å prøve å forstå mer om deres evne til å fly. Men da Harvey gravde dypere i litteraturen, innså hun at det var store hull i vår kunnskap om hvordan fugler flyr.
Hun ble dypt inspirert av en 2001 studie som Taylor var medforfatter mens han forfulgte sin doktorgrad ved Oxford. Taylors artikkel var den første som la ut et teoretisk grunnlag for hvordan fugler og andre flygende dyr oppnår stabilitet, egenskapen som hindrer dem i å bli presset i feil retning.
Stabilitet, forklarte Taylor, kommer fra en kombinasjon av iboende stabilitet, eller medfødt motstand mot forstyrrelser, og kontroll, en aktiv evne til å endre respons på forstyrrelser. Iboende stabilitet er hva et godt papirfly har; kontroll er en femte generasjons jagerflys styrke. Forskningen fra 2001 viste at iboende stabilitet spilte en større rolle i fuglenes flukt enn man generelt trodde.
Rett etter å ha lest Taylors papir, fokuserte Harvey doktorgradsarbeidet sitt på å utvikle de første dynamiske ligningene for stabilitet i fugleflukt. "Vi har alle disse ligningene for fly," sa hun. "Jeg ville ha dem til fugleflukt."
For å forstå stabiliteten og ustabiliteten til fugleflukt og utfordringene som fugler møter når de kontrollerer dem, innså Harvey at hun og teamet hennes trengte å kartlegge alle treghetsegenskapene til fugler, noe som tidligere studier stort sett ignorerte eller behandlet som uviktig. Treghetsegenskapene relaterer seg til en fugls masse og hvordan den er fordelt, i motsetning til de aerodynamiske egenskapene som virker på en fugl i bevegelse.
Harvey og teamet hennes samlet opp 36 frosne fuglekadaver – som representerte 22 svært forskjellige arter – fra Beaty Biodiversity Museum ved University of British Columbia i Vancouver, Canada. De dissekerte kadaverne ned til hver enkelt fjær, tok målinger av lengde, vekt og vingespenn, og forlenget og dro sammen vingene manuelt for å finne ut bevegelsesområdet til fuglenes albuer og håndledd.
De skrev et nytt modelleringsprogram som representerte forskjellige typer vinger, bein, muskler, hud og fjær som kombinasjoner av hundrevis av geometriske former. Programvaren tillot dem å beregne relevante egenskaper som tyngdepunktet og "nøytralpunktet" som er det aerodynamiske senteret til fuglen under flukt. De bestemte deretter egenskapene for hver fugl med vingene konfigurert i en rekke former.
For å kvantifisere hver fugls stabilitet og manøvrerbarhet, beregnet de en aerodynamisk faktor kalt statisk margin, avstanden mellom dens tyngdepunkt og dens nøytrale punkt i forhold til dimensjonene til vingen. Hvis en fugls nøytrale punkt var bak tyngdepunktet, anså de fuglen for å være iboende stabil, noe som betyr at den flygende fuglen naturlig ville returnere til sin opprinnelige flyvei hvis den ble presset ut av balanse. Hvis det nøytrale punktet var foran tyngdepunktet, så var fuglen ustabil og ville bli skjøvet lenger fra posisjonen den var i - som er akkurat det som må skje for at en fugl skal kunne gjøre en fantastisk manøver.
Når luftfartsingeniører designer fly, setter de de statiske marginene for å oppnå ønsket ytelse. Men fugler, i motsetning til fly, kan bevege vingene og skifte kroppsstillinger, og dermed endre deres statiske marginer. Harvey og teamet hennes evaluerte derfor også hvordan hver enkelt fugls iboende stabilitet endret seg i forskjellige vingekonfigurasjoner.
Faktisk tok Harvey og hennes kolleger et rammeverk som er "svært likt det vi gjør for fly" og tilpasset det til fugler, sa Sikt Wissa, en assisterende professor i mekanisk og romfartsteknikk ved Princeton University som skrev en kommentar til arbeidet deres for Natur.
Fleksibel flyreise
Da fjærkledde terapeutiske dinosaurer lanserte seg selv i luften for omtrent 160 millioner år siden, var de begrensede flygere, og flagret bare over korte avstander eller i små støt. Men med bare noen få unntak, har de mer enn 10,000 XNUMX fugleartene som stammet fra disse dinosaurene utviklet seg til ekstraordinære flymaskiner, i stand til grasiøs gliding og akrobatiske manøvrer. Den typen manøvrerbarhet krever å utnytte ustabiliteten kontrollert – og deretter trekke seg ut av den.
Fordi moderne fugler er så manøvrerbare, antok biologer at de hadde utviklet seg til å bli mer og mer ustabile. "Det ble antatt at fugler, som jagerfly, bare lener seg inn i disse ustabilitetene for å utføre disse veldig raske manøvrene," sa Harvey. "Og det er grunnen til at fugler flyr på denne måten som vi ikke helt kan replikere ennå."
Men forskerne fant at bare én av artene de så på, fasanen, var helt ustabil. Fire arter var helt stabile, og 17 arter - inkludert swifts og duer - kunne bytte mellom stabil og ustabil flyging ved å forandre vingene. "Vi ser egentlig at disse fuglene kan skifte mellom den slags mer jagerfly-aktig stil og en mer passasjer-jet-lignende stil," sa Harvey.
Ytterligere matematisk modellering av teamet hennes antydet at i stedet for å øke fuglenes ustabilitet, har evolusjonen bevart deres potensiale for både stabilitet og ustabilitet. I alle de studerte fuglene fant Harveys team bevis på at seleksjonspresset samtidig opprettholdt statiske marginer som muliggjorde begge deler. Som et resultat har fugler muligheten til å skifte fra en stabil modus til en ustabil modus og tilbake, og endre flyegenskapene etter behov.
Moderne fly kan ikke gjøre det, ikke bare fordi deres aerodynamiske og treghetsegenskaper er mer faste, men fordi de vil trenge to svært forskjellige kontrollalgoritmer. Ustabil flyging betyr hele tiden å gjøre korrigeringer for å unngå krasj. Fugler må gjøre noe lignende, og "det må være et visst nivå av erkjennelse involvert i det," sa Reed Bowman, en atferdsøkolog og direktør for fugleøkologiprogrammet ved Archbold Biological Station i Florida.
"Folk har prøvd å forstå opprinnelsen til fugler så lenge folk har studert evolusjon - og en stor hindring har vært kompleksiteten til flukt og vår manglende evne til å dekonstruere den," sa Matthew Carrano, kurator for Dinosauria i Smithsonian Institutions avdeling for paleobiologi.
Det som overrasker ham mest er ikke at fugler har disse evnene til å skifte mellom stabile og ustabile flymoduser; det er at noen arter, som fasanen, tilsynelatende ikke gjør det. Han lurer på om disse artene aldri utviklet den eller om de mistet evnen på et tidspunkt, akkurat som moderne flygeløse fugler stammet fra de som en gang kunne fly.
Bygge bedre fly
Mange av salto-, spinn- og fallmanøvrene som fugler har mestret, er ikke de som noen ønsker å oppleve i et passasjerfly. Men ubemannede luftfartøyer, også kjent som UAV eller droner, er friere til å gjøre drastiske manøvrer, og deres økende popularitet for militær, vitenskapelig, rekreasjons- og annen bruk skaper flere muligheter for dem til å gjøre det.
"Dette er et stort skritt mot å generere mer manøvrerbare UAV-er," sa Bhattacharya, som, etter å ha sett Harveys studie, umiddelbart sendte den til sin ingeniørgruppe. De fleste UAV-er i dag er fly med faste vinger, som er flotte for overvåkingsoppdrag og landbruksformål fordi de kan fly effektivt i timevis og krysse tusenvis av kilometer. Imidlertid mangler de manøvrerbarheten til de skjøre quadcopters-dronene som er populære blant hobbyister. Forskere ved Airbus og NASA drømmer om nye design for bevingede fly som kan etterligne noen av fuglenes utrolige manøvreringstalenter.
Taylor og teamet hans håper å analysere hvordan fugler får evnen til å utføre komplekse oppgaver mens de lærer å fly. Hvis forskere virkelig kan forstå disse manøvrene, kan ingeniører en dag inkludere AI i utformingen av nye flyers, slik at de kan etterligne biologi ikke bare i utseende, men også i deres evne til å lære flyatferd.
Mens hun setter opp sitt nye laboratorie ved University of California, Davis, bestemmer Harvey fortsatt hvor hennes fremtidige forskning vil ligge på spekteret fra grunnleggende forskning på fugleflukt til design og produksjon av droner og fly. Men først jobber hun med å bygge et team av ingeniør- og biologistudenter som er like lidenskapelige for å jobbe på grensen mellom to vidt forskjellige felt som hun er.
"Jeg tror ikke jeg blomstret helt innen ingeniørfag," sa Harvey. Da hun begynte å jobbe på kanten av biologien, følte hun at hun kunne være mer kreativ. Nå, til mange av hennes ingeniørkolleger, bruker hun lange timer på å perfeksjonere fuglefigurer. "Jeg bruker halvparten av tiden min på å tegne," sa hun. "Det har virkelig endret perspektivet mitt."
