Într-o cameră dreptunghiulară acoperită cu plase de camuflaj, patru șoimi ai lui Harris zburau pe rând între bibani acoperiți cu iarbă, în timp ce oamenii de știință își înregistrau fiecare fluturare biomecanică. Cercetătorii participau la urmărirea cinstită de timp de a observa păsările zburând - deși în acest experiment, interesul lor real a fost să le privească aterizarea.
În peste 1,500 de zboruri între bibani, cei patru șoimi au luat aproape întotdeauna aceeași cale – nu cea mai rapidă sau cea mai eficientă din punct de vedere energetic, ci cea care le-a permis să cocoțeze cel mai sigur și cu cel mai mare control. La fel de Graham Taylor, profesor de biologie matematică la Universitatea din Oxford și colegii săi descris recent in Natură, șoimii au zburat într-un arc în formă de U, batând rapid din aripi pentru a accelera într-o scufundare, apoi alunecând brusc în sus într-o alunecare, întinzându-și aripile pentru a încetini progresul înainte de a se apuca de biban.
„Vizionarea lor este fascinant de străin”, a spus Lydia Franța, un cercetător de date de cercetare la Institutul Alan Turing și un cercetător postdoctoral la Universitatea din Oxford, care a proiectat și a ajutat la derularea experimentelor. Capacitatea șoimilor de a ateriza aproape de oprire în aer este de neegalat de omologii lor mecanici.
„Evoluția a creat un dispozitiv de zbor mult mai complicat decât am fost vreodată capabili să proiectăm”, a spus Samik Bhattacharya, profesor asistent în laboratorul experimental de mecanică a fluidelor de la Universitatea din Florida Centrală. Motivele pentru care aeronava de astăzi nu poate egala manevrabilitatea aviară nu sunt doar o chestiune de inginerie. Deși păsările au fost observate cu meticulozitate de-a lungul istoriei și au inspirat modele pentru mașinile zburătoare ale lui Leonardo da Vinci și alții de-a lungul secolelor, biomecanica care face posibilă manevrabilitatea păsărilor a fost în mare măsură un mister.
A studiu punctual publicat în martie trecut în Natură, cu toate acestea, a început să schimbe asta. Pentru cercetarea sa doctorală la Universitatea din Michigan, Christina Harvey iar colegii ei au descoperit că cele mai multe păsări își pot transforma aripile în timpul zborului pentru a se întoarce înainte și înapoi între zborul lin ca un avion de pasageri și zborul acrobatic ca un avion de luptă. Munca lor arată clar că păsările pot modifica complet atât caracteristicile aerodinamice care guvernează modul în care aerul se mișcă peste aripile lor, cât și caracteristicile inerțiale ale corpului lor, care determină modul în care se prăbușesc prin aer pentru a finaliza manevre rapide.
Aceste descoperiri au identificat factori mari, necunoscuți anterior, care contribuie la priceperea acrobatică a păsărilor și au dezvăluit unele dintre presiunile evolutive care au făcut păsările atât de pricepute la zbor. De asemenea, ei ajută la reformularea planurilor pe care viitorii ingineri le-ar putea urma atunci când încearcă să proiecteze aeronave la fel de manevrabile și adaptabile așa cum reușesc să fie păsările, aparent cu o grație fără efort, dar folosind resurse fizice și mentale formidabil de rapide pe care abia începem să le apreciem.
Harvey, care a studiat ingineria mecanică ca student, își descrie studiile despre zborul păsărilor ca „cuantificând ceva care, pentru mine, pare a fi magie”. La începutul carierei sale, înainte de a face tranziția de la inginerie la biologie, ea nu s-a gândit niciodată că ea va fi cea care va încerca să discearnă secretele păsărilor.
Geometria păsărilor
„Nici măcar nu îmi plăceau păsările”, a spus Harvey. Totuși, într-o zi din 2016, ea s-a așezat pe o margine stâncoasă într-un parc din apropierea Universității din Columbia Britanică, odihnindu-se după o scurtă excursie și gândindu-se la ce proiect să urmeze ca studentă proaspăt numită la master într-un laborator de biologie. Înconjurată de pescăruși, ea s-a gândit: „Zboară foarte tare, dacă ignori cât de enervanti sunt”.
Pescărușul a devenit rapid ceea ce ea numește pasărea ei „scânteie” și în curând a renunțat să-i evite în favoarea încercării de a înțelege mai multe despre puterea lor de zbor. Dar pe măsură ce Harvey a săpat mai adânc în literatură, și-a dat seama că există lacune majore în cunoștințele noastre despre felul în care zboară păsările.
A fost profund inspirată de un studiu 2001 pe care Taylor îl coautor în timp ce își urma doctoratul la Oxford. Lucrarea lui Taylor a fost prima care a stabilit o bază teoretică pentru modul în care păsările și alte animale zburătoare ating stabilitatea, trăsătura care le împiedică să fie împinse în direcția greșită.
Stabilitatea, a explicat Taylor, vine dintr-o combinație de stabilitate inerentă sau rezistență înnăscută la perturbări și control, o capacitate activă de a modifica răspunsurile la perturbări. Stabilitatea inerentă este ceea ce are un avion de hârtie bun; controlul este punctul forte al unui avion de vânătoare din a cincea generație. Cercetarea din 2001 a arătat că stabilitatea inerentă a jucat un rol mai important în zborul păsărilor decât se credea în general.
La scurt timp după ce a citit lucrarea lui Taylor, Harvey și-a concentrat lucrările doctorale pe dezvoltarea primelor ecuații dinamice de stabilitate în zborul păsărilor. „Avem toate aceste ecuații pentru avioane”, a spus ea. „Le-am vrut pentru zborul păsărilor.”
Pentru a înțelege stabilitatea și instabilitatea zborului păsărilor și provocările cu care se confruntă păsările în controlul lor, și-a dat seama Harvey, ea și echipa ei trebuiau să cartografieze toate proprietățile inerțiale ale păsărilor, lucru pe care studiile anterioare l-au ignorat în mare măsură sau l-au tratat ca neimportant. Proprietățile inerțiale se referă la masa unei păsări și la modul în care aceasta este distribuită, în contrast cu proprietățile aerodinamice care acționează asupra unei păsări în mișcare.
Harvey și echipa ei au adunat 36 de cadavre de păsări congelate - reprezentând 22 de specii foarte diferite - de la Muzeul Beaty Biodiversity de la Universitatea British Columbia din Vancouver, Canada. Ei au disecat cadavrele până la fiecare penă, au luat măsurători de lungime, greutate și anvergura aripilor și au extins și contractat manual aripile pentru a-și da seama de gama de mișcare a coatelor și încheieturilor păsărilor.
Ei au scris un nou program de modelare care a reprezentat diferite tipuri de aripi, oase, mușchi, piele și pene ca combinații de sute de forme geometrice. Software-ul le-a permis să calculeze caracteristici relevante, cum ar fi centrul de greutate și „punctul neutru”, care este centrul aerodinamic al păsării în zbor. Apoi au determinat acele proprietăți pentru fiecare pasăre cu aripile ei configurate într-o varietate de forme.
Pentru a cuantifica stabilitatea și manevrabilitatea fiecărei păsări, au calculat un factor aerodinamic numit marginea statică, distanța dintre centrul de greutate și punctul său neutru în raport cu dimensiunile aripii. Dacă punctul neutru al unei păsări se afla în spatele centrului său de greutate, ei considerau pasărea ca fiind în mod inerent stabilă, ceea ce înseamnă că pasărea zburătoare s-ar întoarce în mod natural la calea de zbor inițială dacă ar fi împinsă dezechilibră. Dacă punctul neutru se afla în fața centrului de greutate, atunci pasărea era instabilă și ar fi împinsă mai departe de poziția în care se afla - ceea ce trebuie să se întâmple pentru ca o pasăre să poată face o manevră uluitoare.
Când inginerii aeronautici proiectează avioane, ei stabilesc marjele statice pentru a obține performanța dorită. Dar păsările, spre deosebire de avioane, își pot mișca aripile și își pot schimba pozițiile corpului, modificându-și astfel marginile statice. Prin urmare, Harvey și echipa ei au evaluat și modul în care stabilitatea inerentă a fiecărei păsări s-a schimbat în diferite configurații ale aripilor.
De fapt, Harvey și colegii ei au luat un cadru care este „foarte asemănător cu ceea ce facem noi pentru aeronave” și l-au adaptat păsărilor, a spus Aimy Wissa, profesor asistent de inginerie mecanică și aerospațială la Universitatea Princeton, care a scris un comentariu asupra muncii lor pentru Natură.
Zbor flexibil
Când dinozaurii terapii cu pene s-au lansat în aer în urmă cu aproximativ 160 de milioane de ani, ei erau zburători limitati, fluturând doar pe distanțe scurte sau în rafale mici. Dar, cu doar câteva excepții, cele peste 10,000 de specii de păsări care descind din acei dinozauri au evoluat în mașini de zbor extraordinare, capabile de planare grațioasă și manevre acrobatice. Acest tip de manevrabilitate necesită să profitați în mod controlat de instabilitate - și apoi să renunțați la ea.
Deoarece păsările moderne sunt atât de manevrabile, biologii au presupus că au evoluat pentru a fi din ce în ce mai instabile. „Se credea că păsările, precum avioanele de luptă, se cam sprijină în aceste instabilități pentru a efectua aceste manevre foarte rapide”, a spus Harvey. „Și acesta este motivul pentru care păsările zboară în acest fel pe care nu îl putem replica încă”.
Dar cercetătorii au descoperit că doar una dintre speciile la care s-au uitat, fazanul, era complet instabilă. Patru specii au fost complet stabile, iar 17 specii – inclusiv porumbei și porumbei – au putut comuta între zborul stabil și cel instabil prin transformarea aripilor. „Într-adevăr, ceea ce vedem este că aceste păsări sunt capabile să se schimbe între un stil mai asemănător cu un avion de luptă și unul mai asemănător cu un avion de pasageri”, a spus Harvey.
Modelarea matematică ulterioară de către echipa sa a sugerat că, în loc să sporească instabilitatea păsărilor, evoluția a păstrat potențialul lor atât pentru stabilitate, cât și pentru instabilitate. La toate păsările studiate, echipa lui Harvey a găsit dovezi că presiunile de selecție mențin simultan marjele statice care le-au permis pe ambele. Ca rezultat, păsările au capacitatea de a trece de la un mod stabil la unul instabil și înapoi, schimbându-și proprietățile de zbor după cum este necesar.
Avioanele moderne nu pot face asta, nu doar pentru că caracteristicile lor aerodinamice și inerțiale sunt mai fixe, ci și pentru că ar avea nevoie de doi algoritmi de control foarte diferiți. Zborul instabil înseamnă a face corecturi în mod constant pentru a evita prăbușirea. Păsările trebuie să facă ceva similar și „trebuie să existe un anumit nivel de cunoaștere implicat în asta”, a spus Reed Bowman, ecologist comportamental și director al programului de ecologie aviară la Archbold Biological Station din Florida.
„Oamenii au încercat să înțeleagă originea păsărilor atâta timp cât oamenii au studiat evoluția – și un obstacol major a fost complexitatea zborului și incapacitatea noastră de a o deconstrui”, a spus. Matei Carrano, curator al Dinosauriei în cadrul departamentului de paleobiologie al Smithsonian Institution.
Ceea ce îl surprinde cel mai mult nu este că păsările au aceste abilități de a schimba între modurile de zbor stabil și instabil; este că unele specii, precum fazanul, se pare că nu. El se întreabă dacă acele specii nu au evoluat niciodată sau dacă și-au pierdut capacitatea la un moment dat, la fel cum păsările moderne fără zbor au descins din cele care au putut zbura cândva.
Construirea de avioane mai bune
Multe dintre manevrele de capturitate, învârtire și prăbușire pe care le-au stăpânit păsările nu sunt cele pe care oricine ar dori să le experimenteze într-un avion de pasageri. Dar vehiculele aeriene fără echipaj, cunoscute și sub numele de UAV-uri sau drone, sunt mai libere să facă manevre drastice, iar popularitatea lor crescândă pentru utilizări militare, științifice, recreative și de altă natură le creează mai multe oportunități de a face acest lucru.
„Acesta este un pas grozav către generarea de UAV-uri mai manevrabile”, a spus Bhattacharya, care, după ce a văzut studiul lui Harvey, l-a trimis imediat grupului său de inginerie. Majoritatea UAV-urilor de astăzi sunt avioane cu aripă fixă, care sunt excelente pentru misiuni de supraveghere și în scopuri agricole, deoarece pot zbura eficient ore întregi și pot traversa mii de kilometri. Cu toate acestea, le lipsește manevrabilitatea fragilelor drone quadcopter populare printre pasionați. Cercetătorii de la Airbus și NASA visează modele noi pentru aeronave cu aripi care ar putea imita unele dintre incredibilele talente de manevră ale păsărilor.
Taylor și echipa sa speră să analizeze modul în care păsările dobândesc capacitatea de a îndeplini sarcini complexe în timp ce învață să zboare. Dacă cercetătorii pot înțelege cu adevărat aceste manevre, inginerii ar putea include într-o zi AI în proiectarea noilor fluturași, permițându-le să imite biologia nu numai în aspect, ci și în capacitatea lor de a învăța comportamentele de zbor.
Pe măsură ce își înființează noul laborator la Universitatea din California, Davis, Harvey încă decide unde se vor afla cercetările ei viitoare pe spectrul de la cercetarea de bază în zborul păsărilor până la proiectarea și fabricarea de drone și avioane. Dar mai întâi, ea lucrează pentru a construi o echipă de studenți la inginerie și biologie care sunt la fel de pasionați să lucreze la limita a două domenii foarte diferite ca și ea.
„Nu cred că am înflorit în întregime în inginerie”, a spus Harvey. Când a început să lucreze la marginea biologiei, a simțit că poate fi mai creativă. Acum, spre disperarea multora dintre colegii ei de inginerie, ea petrece ore lungi lucrând la perfecționarea figurilor păsărilor. „Îmi petrec jumătate din timp desenând”, a spus ea. „Mi-a schimbat cu adevărat perspectiva.”
