Em uma sala retangular coberta por uma rede de camuflagem, quatro falcões Harris se revezavam voando de um lado para o outro entre poleiros cobertos de grama enquanto os cientistas registravam cada vibração biomecânica. Os pesquisadores estavam participando da antiga busca de observar os pássaros voando – embora, neste experimento, seu interesse real fosse observá-los pousar.
Em mais de 1,500 voos entre os poleiros, os quatro falcões seguiram quase sempre o mesmo caminho – não o mais rápido ou o mais eficiente em termos energéticos, mas aquele que lhes permitiu pousar com mais segurança e maior controlo. Como Graham Taylor, professor de biologia matemática na Universidade de Oxford, e seus colegas descrito recentemente in Natureza, os falcões voaram em um arco em forma de U, batendo rapidamente as asas para acelerar o mergulho e, em seguida, mergulhando bruscamente para cima em um planeio, esticando as asas para retardar o progresso antes de se agarrar ao poleiro.
“Observá-los é fascinantemente estranho”, disse Lídia França, cientista de dados de pesquisa do Instituto Alan Turing e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Oxford que projetou e ajudou a executar os experimentos. A capacidade dos falcões de pousar quase parando no ar é incomparável aos seus equivalentes mecânicos.
“A evolução criou um dispositivo voador muito mais complicado do que jamais fomos capazes de projetar”, disse Samik Bhattacharya, professor assistente no laboratório experimental de mecânica dos fluidos da Universidade da Flórida Central. As razões pelas quais as aeronaves atuais não conseguem igualar a manobrabilidade das aves não são simplesmente uma questão de engenharia. Embora as aves tenham sido meticulosamente observadas ao longo da história e tenham inspirado projetos de máquinas voadoras de Leonardo da Vinci e outros ao longo dos séculos, a biomecânica que torna possível a manobrabilidade das aves tem sido em grande parte um mistério.
A estudo marco publicado em março passado em Natureza, no entanto, começou a mudar isso. Para sua pesquisa de doutorado na Universidade de Michigan, Cristina Harvey e seus colegas descobriram que a maioria dos pássaros pode transformar suas asas no meio do vôo para alternar entre voar suavemente como um avião de passageiros e voar acrobaticamente como um caça a jato. O seu trabalho deixa claro que as aves podem alterar completamente tanto as características aerodinâmicas que governam a forma como o ar se move sobre as suas asas como as características inerciais dos seus corpos que determinam a forma como elas saltam no ar para completar manobras rápidas.
Estas descobertas identificaram grandes factores até então desconhecidos que contribuem para a capacidade acrobática das aves e revelaram algumas das pressões evolutivas que tornaram as aves tão proficientes no voo. Eles também estão ajudando a redesenhar os planos que os futuros engenheiros poderão seguir ao tentar projetar aeronaves tão manobráveis e adaptáveis quanto os pássaros conseguem ser, aparentemente com uma graça sem esforço, mas recorrendo a recursos físicos e mentais formidavelmente rápidos que estamos apenas começando a apreciar.
Harvey, que estudou engenharia mecânica na graduação, descreve seus estudos sobre o voo dos pássaros como “quantificar algo que, para mim, parece mágico”. No início de sua carreira, antes de fazer a transição da engenharia para a biologia, ela nunca pensou que seria ela quem tentaria discernir os segredos dos pássaros.
A Geometria dos Pássaros
“Eu nem gostava de pássaros”, disse Harvey. No entanto, um dia, em 2016, ela sentou-se numa saliência rochosa num parque perto da Universidade da Colúmbia Britânica, descansando depois de uma curta caminhada e pensando sobre que projeto seguir como recém-nomeada estudante de mestrado num laboratório de biologia. Cercada de gaivotas, ela pensou: “Elas voam muito bem, se você ignorar o quão irritantes elas são”.
A gaivota rapidamente se tornou o que ela chama de pássaro “faísca”, e ela logo desistiu de evitá-los para tentar entender mais sobre seu poder de voo. Mas à medida que Harvey se aprofundou na literatura, percebeu que havia grandes lacunas no nosso conhecimento sobre como os pássaros voam.
Ela foi profundamente inspirada por um estudo 2001 que Taylor foi coautor enquanto fazia doutorado em Oxford. O artigo de Taylor foi o primeiro a apresentar uma base teórica sobre como os pássaros e outros animais voadores alcançam a estabilidade, a característica que os impede de serem empurrados na direção errada.
A estabilidade, explicou Taylor, vem de uma combinação de estabilidade inerente, ou resistência inata às perturbações, e controle, uma capacidade ativa de alterar as respostas às perturbações. Estabilidade inerente é o que um bom avião de papel possui; o controle é o forte de um caça de quinta geração. A pesquisa de 2001 mostrou que a estabilidade inerente desempenhava um papel maior no voo dos pássaros do que geralmente se acreditava.
Logo depois de ler o artigo de Taylor, Harvey concentrou seu trabalho de doutorado no desenvolvimento das primeiras equações dinâmicas de estabilidade no vôo dos pássaros. “Temos todas essas equações para aeronaves”, disse ela. “Eu os queria para o vôo dos pássaros.”
Para compreender a estabilidade e a instabilidade do voo das aves e os desafios que as aves enfrentam para os controlar, Harvey percebeu que ela e a sua equipa precisavam de mapear todas as propriedades inerciais das aves, algo que estudos anteriores ignoraram em grande parte ou trataram como sem importância. As propriedades inerciais estão relacionadas à massa de um pássaro e à forma como ela está distribuída, em contraste com as propriedades aerodinâmicas que atuam em um pássaro em movimento.
Harvey e a sua equipa reuniram 36 cadáveres de aves congelados – representando 22 espécies muito diferentes – do Museu da Biodiversidade Beaty da Universidade da Colúmbia Britânica, em Vancouver, Canadá. Eles dissecaram os cadáveres até cada pena individual, mediram o comprimento, o peso e a envergadura das asas e estenderam e contraíram manualmente as asas para descobrir a amplitude de movimento dos cotovelos e pulsos dos pássaros.
Eles escreveram um novo programa de modelagem que representava diferentes tipos de asas, ossos, músculos, pele e penas como combinações de centenas de formas geométricas. O software permitiu calcular características relevantes como o centro de gravidade e o “ponto neutro” que é o centro aerodinâmico da ave em voo. Eles então determinaram essas propriedades para cada ave com suas asas configuradas em vários formatos.
Para quantificar a estabilidade e manobrabilidade de cada ave, calcularam um factor aerodinâmico denominado margem estática, a distância entre o seu centro de gravidade e o seu ponto neutro em relação às dimensões da asa. Se o ponto neutro de um pássaro estivesse atrás de seu centro de gravidade, eles consideravam o pássaro inerentemente estável, o que significa que o pássaro voador retornaria naturalmente à sua trajetória de vôo original se fosse desequilibrado. Se o ponto neutro estivesse na frente do centro de gravidade, então a ave ficaria instável e seria empurrada para longe da posição em que se encontrava – que é exatamente o que deve acontecer para que uma ave seja capaz de fazer uma manobra de tirar o fôlego.
Quando os engenheiros aeronáuticos projetam aviões, eles definem as margens estáticas para atingir o desempenho desejado. Mas os pássaros, ao contrário dos aviões, podem mover as asas e mudar a postura do corpo, alterando assim as suas margens estáticas. Harvey e sua equipe também avaliaram como a estabilidade inerente de cada ave mudava em diferentes configurações de asas.
Na verdade, Harvey e seus colegas pegaram uma estrutura “muito semelhante à que fazemos para aeronaves” e a adaptaram para pássaros, disse Aimy Wissa, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade de Princeton, que escreveu um comentário sobre seu trabalho para Natureza.
Voo Flexível
Quando os dinossauros terápodes emplumados se lançaram no ar, há cerca de 160 milhões de anos, eram voadores limitados, voando apenas em curtas distâncias ou em pequenas rajadas. Mas, com apenas algumas exceções, as mais de 10,000 mil espécies de aves descendentes desses dinossauros evoluíram para máquinas voadoras extraordinárias, capazes de planar graciosamente e manobras acrobáticas. Esse tipo de manobrabilidade exige tirar vantagem controlada da instabilidade – e depois sair dela.
Como as aves modernas são tão manobráveis, os biólogos presumiram que elas evoluíram para serem cada vez mais instáveis. “Acreditava-se que os pássaros, assim como os caças, simplesmente se inclinavam para essas instabilidades para realizar essas manobras realmente rápidas”, disse Harvey. “E é por isso que os pássaros voam dessa maneira que ainda não conseguimos replicar.”
Mas os pesquisadores descobriram que apenas uma das espécies observadas, o faisão, era completamente instável. Quatro espécies eram completamente estáveis e 17 espécies – incluindo andorinhões e pombos – podiam alternar entre voos estáveis e instáveis através da transformação das suas asas. “Realmente, o que estamos vendo é que esses pássaros são capazes de alternar entre aquele tipo de estilo mais parecido com um jato de combate e um estilo mais parecido com um jato de passageiros”, disse Harvey.
Outros modelos matemáticos realizados pela sua equipa sugeriram que, em vez de aumentar a instabilidade das aves, a evolução tem preservado o seu potencial tanto para a estabilidade como para a instabilidade. Em todas as aves estudadas, a equipe de Harvey encontrou evidências de que as pressões de seleção mantinham simultaneamente margens estáticas que permitiam ambos. Como resultado, as aves têm a capacidade de mudar de um modo estável para um instável e vice-versa, alterando suas propriedades de voo conforme necessário.
As aeronaves modernas não podem fazer isso, não apenas porque suas características aerodinâmicas e inerciais são mais fixas, mas porque precisariam de dois algoritmos de controle muito diferentes. Voo instável significa fazer correções constantes para evitar colisões. Os pássaros devem fazer algo semelhante e “deve haver algum nível de cognição envolvido nisso”, disse Reed Bowman, ecologista comportamental e diretor do programa de ecologia aviária da Estação Biológica Archbold, na Flórida.
“As pessoas têm tentado compreender a origem das aves desde que estudam a evolução – e um grande obstáculo tem sido a complexidade do voo e a nossa incapacidade de desconstruí-lo”, disse. Mateus Carrano, curador de Dinosauria no departamento de paleobiologia do Smithsonian Institution.
O que mais o surpreende não é que as aves tenham a capacidade de alternar entre modos de voo estáveis e instáveis; é que algumas espécies, como o faisão, aparentemente não o fazem. Ele se pergunta se essas espécies nunca evoluíram ou se perderam essa habilidade em algum momento, assim como os pássaros modernos que não voam descendem daqueles que antes podiam voar.
Construindo Aeronaves Melhores
Muitas das manobras de cambalhota, giro e queda que os pássaros dominaram não são aquelas que alguém gostaria de experimentar em um avião de passageiros. Mas os veículos aéreos não tripulados, também conhecidos como UAV ou drones, são mais livres para realizar manobras drásticas, e a sua crescente popularidade para usos militares, científicos, recreativos e outros está a criar mais oportunidades para o fazerem.
“Este é um grande passo para a geração de UAVs mais manobráveis”, disse Bhattacharya, que, ao ver o estudo de Harvey, imediatamente o enviou ao seu grupo de engenharia. A maioria dos UAVs hoje são aeronaves de asa fixa, excelentes para missões de vigilância e fins agrícolas porque podem voar com eficiência por horas e percorrer milhares de quilômetros. No entanto, eles não têm a capacidade de manobra dos frágeis drones quadricópteros, populares entre os amadores. Pesquisadores em Airbus e NASA estão sonhando com novos designs para aeronaves aladas que possam imitar alguns dos incríveis talentos de manobra dos pássaros.
Taylor e sua equipe esperam analisar como os pássaros adquirem a capacidade de realizar tarefas complexas enquanto aprendem a voar. Se os investigadores conseguirem realmente compreender estas manobras, os engenheiros poderão algum dia incluir a IA na concepção de novos folhetos, permitindo-lhes imitar a biologia não apenas na aparência, mas na sua capacidade de aprender comportamentos de voo.
Enquanto monta o seu novo laboratório na Universidade da Califórnia, em Davis, Harvey ainda está a decidir onde se situará a sua investigação futura, desde a investigação básica sobre o voo das aves até à concepção e fabrico de drones e aviões. Mas primeiro, ela está trabalhando para formar uma equipe de estudantes de engenharia e biologia que são tão apaixonados por trabalhar na fronteira de dois campos muito diferentes quanto ela.
“Não creio que estivesse florescendo inteiramente na engenharia”, disse Harvey. Quando ela começou a trabalhar no limite da biologia, ela sentiu que poderia ser mais criativa. Agora, para desespero de muitos de seus colegas engenheiros, ela passa longas horas trabalhando no aperfeiçoamento de figuras de pássaros. “Passo metade do meu tempo desenhando”, disse ela. “Isso realmente mudou minha perspectiva.”
