W prostokątnym pokoju przykrytym siatką maskującą cztery jastrzębie Harrisa na zmianę latały tam iz powrotem między porośniętymi trawą grzędami, podczas gdy naukowcy rejestrowali każde ich biomechaniczne trzepotanie. Naukowcy brali udział w uświęconej tradycją pogoni za obserwowaniem latających ptaków — chociaż w tym eksperymencie ich prawdziwym zainteresowaniem było obserwowanie, jak lądują.
Podczas ponad 1,500 lotów między grzędami cztery jastrzębie prawie zawsze podążały tą samą ścieżką — nie najszybszą ani najbardziej energooszczędną, ale taką, która pozwalała im siedzieć najbezpieczniej i z największą kontrolą. Jak Graham Taylor, profesor biologii matematycznej na Uniwersytecie Oksfordzkim i jego współpracownicy opisane ostatnio in Natura, jastrzębie leciały po łuku w kształcie litery U, gwałtownie machając skrzydłami, aby przyspieszyć do nurkowania, a następnie gwałtownie szybując w górę, rozpościerając skrzydła, aby spowolnić postęp, zanim chwyciły się grzędy.
„Obserwowanie ich jest fascynująco obce”, powiedział Lidia Francja, naukowiec zajmujący się danymi badawczymi w Instytucie Alana Turinga i badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Oksfordzkim, który zaprojektował i pomógł przeprowadzić eksperymenty. Zdolność jastrzębi do lądowania przez prawie zatrzymanie się w powietrzu jest nieporównywalna z ich mechanicznymi odpowiednikami.
„Ewolucja stworzyła znacznie bardziej skomplikowane urządzenie latające, niż kiedykolwiek byliśmy w stanie zaprojektować” – powiedział Samika Bhattacharyi, adiunkt w laboratorium eksperymentalnej mechaniki płynów na Uniwersytecie Centralnej Florydy. Powody, dla których dzisiejsze samoloty nie mogą dorównać zwrotności ptaków, nie są po prostu kwestią inżynierii. Chociaż ptaki były skrupulatnie obserwowane na przestrzeni wieków i przez wieki inspirowały projekty maszyn latających Leonarda da Vinci i innych, biomechanika, która umożliwia manewrowanie ptakami, była w dużej mierze tajemnicą.
A przełomowe badanie opublikowane w marcu w Naturajednak zaczął to zmieniać. Za jej badania doktoranckie na Uniwersytecie Michigan, Krystyna Harvey a jej koledzy odkryli, że większość ptaków może zmieniać kształt skrzydeł w trakcie lotu, aby przeskakiwać w tę i z powrotem między lataniem płynnie jak samolot pasażerski, a lotem akrobatycznym jak myśliwiec. Ich praca jasno pokazuje, że ptaki mogą całkowicie zmienić zarówno właściwości aerodynamiczne, które decydują o tym, jak powietrze porusza się po ich skrzydłach, jak i właściwości bezwładności ich ciał, które determinują sposób, w jaki spadają w powietrzu, aby wykonać szybkie manewry.
Odkrycia te pozwoliły zidentyfikować duże, nieznane wcześniej czynniki przyczyniające się do sprawności akrobacyjnej ptaków i ujawniły niektóre z presji ewolucyjnych, które sprawiły, że ptaki są tak sprawne w lataniu. Pomagają również przeredagować plany, którymi mogą się kierować przyszli inżynierowie, próbując zaprojektować samolot tak zwrotny i elastyczny, jak ptaki, pozornie z niewymuszoną gracją, ale czerpiąc z niesamowicie szybkich zasobów fizycznych i umysłowych, które dopiero zaczynamy doceniać.
Harvey, która studiowała inżynierię mechaniczną jako licencjat, opisuje swoje badania nad lotem ptaków jako „ilościowe określenie czegoś, co dla mnie wygląda jak magia”. Na początku swojej kariery, przed przejściem od inżynierii do biologii, nigdy nie sądziła, że to ona będzie próbowała odkryć sekrety ptaków.
Geometria ptaków
— Kiedyś nawet nie lubiłem ptaków — powiedział Harvey. Jednak pewnego dnia w 2016 roku usiadła na skalistej półce w parku niedaleko Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, odpoczywając po krótkiej wędrówce i zastanawiając się, jaki projekt realizować jako nowo mianowana studentka studiów magisterskich w laboratorium biologii. Otoczona mewami pomyślała: „Latają naprawdę fajnie, jeśli zignorujesz, jak bardzo są denerwujące”.
Mewa szybko stała się tym, co nazywa swoim „iskierkowym” ptakiem, i wkrótce zrezygnowała z unikania ich na rzecz lepszego zrozumienia ich zdolności latania. Kiedy jednak Harvey zagłębiła się w literaturę, zdała sobie sprawę, że w naszej wiedzy na temat latania ptaków są poważne luki.
Była głęboko zainspirowana studium 2001 że Taylor był współautorem podczas robienia doktoratu w Oksfordzie. Artykuł Taylora był pierwszym, który przedstawił teoretyczne podstawy tego, jak ptaki i inne latające zwierzęta osiągają stabilność, cechę, która powstrzymuje je przed popychaniem w złym kierunku.
Stabilność, wyjaśnił Taylor, pochodzi z połączenia wrodzonej stabilności lub wrodzonej odporności na zaburzenia i kontroli, aktywnej zdolności do zmiany reakcji na zaburzenia. Nieodłączna stabilność jest tym, co ma dobry papierowy samolot; kontrola jest mocną stroną myśliwców piątej generacji. Badania z 2001 r. wykazały, że wrodzona stabilność odgrywała większą rolę w locie ptaków, niż się powszechnie uważa.
Wkrótce po przeczytaniu artykułu Taylora Harvey skupiła swoją pracę doktorską na opracowaniu pierwszych dynamicznych równań stabilności w locie ptaków. „Mamy wszystkie te równania dla samolotów” – powiedziała. „Chciałem je na lot ptaka”.
Harvey zdała sobie sprawę, że aby zrozumieć stabilność i niestabilność lotu ptaków oraz wyzwania, jakie napotykają ptaki w ich kontrolowaniu, ona i jej zespół muszą zmapować wszystkie właściwości bezwładności ptaków, coś, co w poprzednich badaniach w dużej mierze ignorowano lub traktowano jako nieistotne. Właściwości bezwładności odnoszą się do masy ptaka i sposobu jej rozmieszczenia, w przeciwieństwie do właściwości aerodynamicznych, które działają na ptaka w ruchu.
Harvey i jej zespół zebrali 36 zamrożonych zwłok ptaków — reprezentujących 22 bardzo różne gatunki — z Beaty Biodiversity Museum na University of British Columbia w Vancouver w Kanadzie. Rozcięli zwłoki na poszczególne pióra, zmierzyli długość, wagę i rozpiętość skrzydeł, a następnie ręcznie wydłużyli i skurczyli skrzydła, aby określić zakres ruchu łokci i nadgarstków ptaków.
Napisali nowatorski program do modelowania, który przedstawiał różne rodzaje skrzydeł, kości, mięśni, skóry i piór jako kombinacje setek kształtów geometrycznych. Oprogramowanie pozwoliło im obliczyć odpowiednie cechy, takie jak środek ciężkości i „punkt neutralny”, czyli aerodynamiczny środek ptaka w locie. Następnie określili te właściwości dla każdego ptaka ze skrzydłami ułożonymi w różne kształty.
Aby określić ilościowo stabilność i manewrowość każdego ptaka, obliczono współczynnik aerodynamiczny zwany marginesem statycznym, czyli odległością między jego środkiem ciężkości a jego punktem neutralnym w stosunku do wymiarów skrzydła. Jeśli punkt neutralny ptaka znajdował się za jego środkiem ciężkości, uważali, że ptak jest z natury stabilny, co oznacza, że latający ptak w naturalny sposób powróci na swój pierwotny tor lotu, jeśli zostanie wytrącony z równowagi. Gdyby punkt neutralny znajdował się przed środkiem ciężkości, ptak był niestabilny i zostałby odepchnięty dalej od pozycji, w której się znajdował — co musi się wydarzyć, aby ptak mógł wykonać zapierający dech w piersiach manewr.
Kiedy inżynierowie lotnictwa projektują samoloty, ustalają marginesy statyczne, aby osiągnąć pożądane osiągi. Ale ptaki, w przeciwieństwie do samolotów, mogą poruszać skrzydłami i zmieniać postawę ciała, zmieniając w ten sposób swoje statyczne marginesy. Dlatego Harvey i jej zespół ocenili również, w jaki sposób wrodzona stabilność każdego ptaka zmieniała się w różnych konfiguracjach skrzydeł.
W efekcie Harvey i jej koledzy przyjęli ramy, które są „bardzo podobne do tego, co robimy dla samolotów” i dostosowali je do ptaków, powiedział Amy Wissa, adiunkt inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie Princeton, który napisał komentarz do swojej pracy dla Natura.
Elastyczny lot
Kiedy pierzaste dinozaury terapodów wystrzeliły w powietrze około 160 milionów lat temu, były ograniczonymi lotnikami, fruwającymi tylko na krótkich dystansach lub w małych seriach. Ale z kilkoma wyjątkami, ponad 10,000 XNUMX gatunków ptaków pochodzących od tych dinozaurów przekształciło się w niezwykłe maszyny latające, zdolne do zgrabnych manewrów szybowcowych i akrobatycznych. Ten rodzaj manewrowości wymaga kontrolowanego wykorzystania niestabilności — a następnie wyciągnięcia się z niej.
Ponieważ współczesne ptaki są tak zwrotne, biolodzy założyli, że ewoluowały, by być coraz bardziej niestabilne. „Wierzono, że ptaki, podobnie jak myśliwce, po prostu skłaniają się do tych niestabilności, aby wykonywać naprawdę szybkie manewry” – powiedział Harvey. „I właśnie dlatego ptaki latają w ten sposób, którego nie możemy jeszcze do końca odtworzyć”.
Ale naukowcy odkryli, że tylko jeden z gatunków, na który patrzyli, bażant, był całkowicie niestabilny. Cztery gatunki były całkowicie stabilne, a 17 gatunków — w tym jerzyki i gołębie — mogło przełączać się między stabilnym a niestabilnym lotem poprzez zmianę skrzydeł. „Naprawdę widzimy, że te ptaki są w stanie przełączać się między stylem bardziej przypominającym myśliwiec a stylem bardziej podobnym do pasażerskiego” – powiedział Harvey.
Dalsze modelowanie matematyczne przeprowadzone przez jej zespół sugeruje, że zamiast zwiększać niestabilność ptaków, ewolucja zachowuje ich potencjał zarówno pod względem stabilności, jak i niestabilności. We wszystkich badanych ptakach zespół Harveya znalazł dowody na to, że presja selekcyjna jednocześnie utrzymywała statyczne marginesy, które umożliwiały jedno i drugie. W rezultacie ptaki mają możliwość przejścia z trybu stabilnego na niestabilny iz powrotem, zmieniając w razie potrzeby swoje właściwości lotu.
Nowoczesne samoloty nie mogą tego zrobić, nie tylko dlatego, że ich właściwości aerodynamiczne i bezwładnościowe są bardziej stałe, ale dlatego, że wymagałyby dwóch bardzo różnych algorytmów sterowania. Niestabilny lot oznacza ciągłe wprowadzanie poprawek, aby uniknąć awarii. Ptaki muszą robić coś podobnego i „musi być w tym zaangażowany jakiś poziom poznania”, powiedział Trzcinowy Łucznik, ekolog behawioralny i dyrektor programu ptasiej ekologii w Archbold Biological Station na Florydzie.
„Ludzie próbowali zrozumieć pochodzenie ptaków, odkąd ludzie badali ewolucję – a główną przeszkodą była złożoność lotu i nasza niezdolność do jego dekonstrukcji” – powiedział. Mateusz Carrano, kurator Dinosauria na wydziale paleobiologii Smithsonian Institution.
Najbardziej zaskakuje go to, że ptaki nie potrafią przeskakiwać między stabilnym a niestabilnym trybem lotu; chodzi o to, że niektóre gatunki, takie jak bażant, najwyraźniej tego nie robią. Zastanawia się, czy te gatunki nigdy go nie wyewoluowały, czy też utraciły tę zdolność w pewnym momencie, tak jak współczesne nielotne ptaki wywodzą się od tych, które kiedyś potrafiły latać.
Budowanie lepszych samolotów
Wiele z manewrów salta, wirowania i opadania, które opanowały ptaki, nie jest tymi, których każdy chciałby doświadczyć w samolocie pasażerskim. Jednak bezzałogowe statki powietrzne, znane również jako UAV lub drony, mają większą swobodę w wykonywaniu drastycznych manewrów, a ich rosnąca popularność w zastosowaniach wojskowych, naukowych, rekreacyjnych i innych stwarza im do tego więcej możliwości.
„To wielki krok w kierunku stworzenia bardziej zwrotnych UAV” – powiedział Bhattacharya, który po obejrzeniu badania Harveya natychmiast wysłał je do swojej grupy inżynierskiej. Większość dzisiejszych UAV to samoloty stałopłat, które świetnie nadają się do misji obserwacyjnych i celów rolniczych, ponieważ mogą latać efektywnie przez wiele godzin i przemierzać tysiące kilometrów. Brakuje im jednak zwrotności, jak w przypadku delikatnych dronów quadkopterów, popularnych wśród hobbystów. Badacze w Airbus i NASA wymyślają nowatorskie projekty skrzydlatych samolotów, które mogłyby naśladować niektóre z niesamowitych zdolności manewrowych ptaków.
Taylor i jego zespół mają nadzieję przeanalizować, w jaki sposób ptaki nabywają zdolność wykonywania złożonych zadań podczas nauki latania. Jeśli naukowcy naprawdę zrozumieją te manewry, inżynierowie mogą kiedyś włączyć sztuczną inteligencję do projektowania nowych ulotek, umożliwiając im naśladowanie biologii nie tylko z wyglądu, ale także z umiejętności uczenia się zachowań podczas lotu.
Zakładając swoje nowe laboratorium na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, Harvey wciąż decyduje, gdzie jej przyszłe badania będą leżeć w spektrum od podstawowych badań nad lotami ptaków po projektowanie i produkcję dronów i samolotów. Ale najpierw pracuje nad zbudowaniem zespołu studentów inżynierii i biologii, którzy są równie pasjonatami pracy na pograniczu dwóch bardzo różnych dziedzin, jak ona.
„Nie sądzę, żebym rozkwitał całkowicie w inżynierii” — powiedział Harvey. Kiedy zaczęła pracować na granicy biologii, poczuła, że może być bardziej kreatywna. Teraz, ku przerażeniu wielu jej kolegów inżynierów, spędza długie godziny pracując nad doskonaleniem figur ptaków. – Połowę czasu spędzam na rysowaniu – powiedziała. „To naprawdę zmieniło moją perspektywę”.
