В прямоугольной комнате, затянутой камуфляжной сеткой, четыре ястреба Харриса по очереди летали туда-сюда между покрытыми травой насестами, пока ученые записывали каждое их биомеханическое трепетание. Исследователи участвовали в освященном веками стремлении наблюдать за полетом птиц, хотя в этом эксперименте их реальный интерес заключался в том, чтобы наблюдать за тем, как они приземляются.
В более чем 1,500 перелетах между насестами четыре ястреба почти всегда выбирали один и тот же путь — не самый быстрый или самый энергоэффективный, а тот, который позволял им садиться наиболее безопасно и с наибольшим контролем. В качестве Грэм Тейлор, профессор математической биологии Оксфордского университета, и его коллеги описанный недавно in природа, ястребы летели по U-образной дуге, быстро взмахивая крыльями, чтобы ускориться в пикировании, затем резко взмывали вверх в плане, расправляя крылья, чтобы замедлить свое продвижение, прежде чем схватиться за насест.
«Наблюдать за ними — увлекательно инопланетно», — сказал Лидия Франс, исследователь данных из Института Алана Тьюринга и исследователь с докторской степенью в Оксфордском университете, который разработал и помог провести эксперименты. Способность ястребов приземляться, почти останавливаясь в воздухе, не имеет себе равных среди их механических собратьев.
«Эволюция создала гораздо более сложное летательное устройство, чем мы когда-либо могли спроектировать», — сказал он. Самик Бхаттачарья, доцент лаборатории экспериментальной гидромеханики Университета Центральной Флориды. Причины, по которым современные самолеты не могут сравниться с маневренностью птиц, не являются чисто инженерными. Хотя за птицами тщательно наблюдали на протяжении всей истории и они вдохновляли Леонардо да Винчи и других на создание летательных аппаратов на протяжении веков, биомеханика, которая делает возможной маневренность птиц, в значительной степени оставалась загадкой.
A историческое исследование опубликовано в марте прошлого года в природаОднако это начало меняться. За докторскую диссертацию в Мичиганском университете, Кристина Харви и ее коллеги обнаружили, что большинство птиц могут трансформировать свои крылья в середине полета, чтобы переключаться между плавным полетом, как на пассажирском самолете, и полетом в акробатическом стиле, как на истребителе. Их работа ясно показывает, что птицы могут полностью изменить как аэродинамические характеристики, определяющие движение воздуха по их крыльям, так и инерционные характеристики их тел, определяющие, как они кувыркаются в воздухе для выполнения быстрых маневров.
Эти открытия определили важные, ранее неизвестные факторы, способствующие пилотажному мастерству птиц, и выявили некоторые эволюционные факторы, которые сделали птиц такими искусными в полете. Они также помогают пересматривать чертежи, которым будущие инженеры могли бы следовать, пытаясь спроектировать летательный аппарат настолько маневренным и адаптируемым, насколько это удается птицам, казалось бы, с непринужденной грацией, но с использованием невероятно быстрых физических и умственных ресурсов, которые мы только начинаем ценить.
Харви, изучавшая машиностроение в бакалавриате, описывает свои исследования полета птиц как «количественную оценку чего-то, что для меня выглядит как волшебство». В начале своей карьеры, прежде чем перейти от инженерии к биологии, она никогда не думала, что ей придется разгадывать секреты птиц.
Геометрия птиц
«Раньше я даже не любил птиц, — сказал Харви. Тем не менее, однажды в 2016 году она сидела на скалистом уступе в парке недалеко от Университета Британской Колумбии, отдыхая после короткой прогулки и думая о том, какой проект ей продолжить в качестве только что назначенного магистранта в биологической лаборатории. В окружении чаек она подумала: «Они очень здорово летают, если не обращать внимания на то, как они надоедливы».
Чайка быстро стала тем, что она называет своей «искровой» птицей, и вскоре она перестала избегать их, чтобы попытаться лучше понять их способность летать. Но когда Харви углубилась в литературу, она поняла, что в наших знаниях о том, как летают птицы, есть большие пробелы.
Она была глубоко вдохновлена Исследование 2001 которую Тейлор написал в соавторстве, когда защищал докторскую диссертацию в Оксфорде. Статья Тейлора была первой, в которой была изложена теоретическая основа того, как птицы и другие летающие животные достигают стабильности, черта, которая удерживает их от толкания в неправильном направлении.
Стабильность, как объяснил Тейлор, возникает из сочетания врожденной стабильности, или врожденной устойчивости к возмущениям, и контроля, активной способности изменять реакцию на возмущения. Врожденная стабильность — это то, что имеет хороший бумажный самолетик; Управление — сильная сторона истребителя пятого поколения. Исследование 2001 года показало, что врожденная стабильность играет большую роль в полете птиц, чем считалось.
Вскоре после прочтения статьи Тейлора Харви сосредоточила свою докторскую работу на разработке первых динамических уравнений устойчивости в полете птицы. «У нас есть все эти уравнения для самолетов, — сказала она. «Я хотел их для птичьего полета».
Чтобы понять стабильность и нестабильность птичьего полета и трудности, с которыми сталкиваются птицы при управлении им, поняла Харви, ей и ее команде необходимо составить карту всех инерционных свойств птиц, что в предыдущих исследованиях в значительной степени игнорировалось или считалось неважным. Инерционные свойства связаны с массой птицы и ее распределением, в отличие от аэродинамических свойств, действующих на птицу в движении.
Харви и ее команда собрали 36 замороженных трупов птиц, представляющих 22 очень разных вида, из Музея биоразнообразия Бити в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Канада. Они вскрыли трупы до каждого отдельного пера, измерили длину, вес и размах крыльев, а затем вручную расправили и сжали крылья, чтобы определить диапазон движения локтей и запястий птиц.
Они написали новую программу моделирования, которая представляла различные типы крыльев, костей, мышц, кожи и перьев в виде комбинаций сотен геометрических фигур. Программное обеспечение позволило им рассчитать соответствующие характеристики, такие как центр тяжести и «нейтральная точка», которая является аэродинамическим центром птицы в полете. Затем они определили эти свойства для каждой птицы с крыльями различной формы.
Чтобы количественно оценить устойчивость и маневренность каждой птицы, они рассчитали аэродинамический фактор, называемый статическим запасом, расстоянием между ее центром тяжести и нейтральной точкой относительно размеров крыла. Если нейтральная точка птицы находилась за ее центром тяжести, они считали, что птица по своей природе стабильна, а это означает, что летящая птица естественным образом вернется на свою первоначальную траекторию полета, если ее вывести из равновесия. Если бы нейтральная точка находилась перед центром тяжести, то птица была бы неустойчива и ее оттолкнуло бы дальше от того положения, в котором она находилась, — именно это и должно произойти, чтобы птица смогла совершить захватывающий маневр.
Когда авиационные инженеры проектируют самолеты, они устанавливают статические пределы для достижения желаемых характеристик. Но птицы, в отличие от самолетов, могут двигать крыльями и менять положение тела, тем самым изменяя свои статические пределы. Поэтому Харви и ее команда также оценили, как присущая каждой птице стабильность менялась при разных конфигурациях крыльев.
По сути, Харви и ее коллеги взяли структуру, которая «очень похожа на то, что мы делаем для самолетов», и адаптировали ее к птицам. Эми Висса, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Принстонского университета, который написал комментарий к своей работе для природа.
Гибкий полет
Когда примерно 160 миллионов лет назад пернатые динозавры-тераподы поднялись в воздух, они были ограниченными летчиками, летая только на короткие расстояния или небольшими рывками. Но, за редким исключением, более 10,000 XNUMX видов птиц, потомков этих динозавров, превратились в необычные летательные аппараты, способные к грациозному планированию и акробатическим маневрам. Такая маневренность требует контролируемого использования нестабильности, а затем выхода из нее.
Поскольку современные птицы настолько маневренны, биологи предположили, что в процессе эволюции они становились все более и более нестабильными. «Считалось, что птицы, как и истребители, просто склоняются к этой нестабильности, чтобы выполнять эти действительно быстрые маневры», — сказал Харви. «И именно поэтому птицы летают таким образом, который мы пока не можем воспроизвести».
Но исследователи обнаружили, что только один из изученных ими видов, фазан, был совершенно нестабилен. Четыре вида были полностью стабильны, а 17 видов, включая стрижей и голубей, могли переключаться между стабильным и нестабильным полетом, изменяя свои крылья. «На самом деле, мы видим, что эти птицы могут переключаться между стилем, более похожим на истребитель, и стилем, более похожим на пассажирский самолет», — сказал Харви.
Дальнейшее математическое моделирование, проведенное ее командой, показало, что вместо того, чтобы усиливать нестабильность птиц, эволюция сохраняла их потенциал как к стабильности, так и к нестабильности. У всех исследованных птиц команда Харви обнаружила доказательства того, что давление отбора одновременно поддерживало статические границы, которые позволяли и то, и другое. В результате птицы имеют возможность переходить из устойчивого режима в неустойчивый и обратно, изменяя свои летные свойства по мере необходимости.
Современные самолеты не могут этого сделать не только потому, что их аэродинамические и инерционные характеристики более фиксированы, но и потому, что им потребуются два совершенно разных алгоритма управления. Нестабильный полет означает постоянное внесение исправлений, чтобы избежать крушения. Птицы, должно быть, должны делать что-то подобное, и «в этом должен быть задействован некоторый уровень познания», — сказал он. Рид Боуман, поведенческий эколог и директор программы по экологии птиц на биологической станции Арчболд во Флориде.
«Люди пытались понять происхождение птиц с тех пор, как люди изучают эволюцию, и основным препятствием была сложность полета и наша неспособность разобрать его», — сказал он. Мэтью Каррано, куратор Dinosauria в отделе палеобиологии Смитсоновского института.
Больше всего его удивляет не то, что у птиц есть эти способности переключаться между стабильным и нестабильным режимами полета; дело в том, что некоторые виды, такие как фазан, по-видимому, этого не делают. Он задается вопросом, не развились ли эти виды в процессе эволюции или же они потеряли эту способность в какой-то момент, точно так же, как современные нелетающие птицы произошли от тех, кто когда-то мог летать.
Создание лучшего самолета
Многие из маневров сальто, вращения и резкого падения, которыми овладели птицы, не являются теми, которые кто-либо хотел бы испытать в пассажирском самолете. Но беспилотные летательные аппараты, также известные как БПЛА или дроны, более свободны в совершении резких маневров, и их растущая популярность в военных, научных, развлекательных и других целях создает для них больше возможностей для этого.
«Это большой шаг к созданию более маневренных БПЛА», — сказал Бхаттачарья, который, увидев исследование Харви, немедленно отправил его своей инженерной группе. Большинство БПЛА сегодня представляют собой самолеты с неподвижным крылом, которые отлично подходят для миссий наблюдения и сельскохозяйственных целей, поскольку они могут эффективно летать в течение нескольких часов и преодолевать тысячи километров. Однако им не хватает маневренности хрупких дронов-квадрокоптеров, популярных среди любителей. Исследователи в аэробус и НАСА придумывают новые проекты крылатых самолетов, которые могли бы имитировать некоторые из невероятных маневренных способностей птиц.
Тейлор и его команда надеются проанализировать, как птицы приобретают способность выполнять сложные задачи, учась летать. Если исследователи действительно смогут понять эти маневры, инженеры могут когда-нибудь включить ИИ в конструкцию новых летательных аппаратов, что позволит им имитировать биологию не только во внешнем виде, но и в их способности изучать поведение при полете.
Создавая свою новую лабораторию в Калифорнийском университете в Дэвисе, Харви все еще решает, где будут лежать ее будущие исследования в диапазоне от фундаментальных исследований полета птиц до проектирования и производства дронов и самолетов. Но сначала она работает над созданием команды студентов-инженеров и студентов-биологов, которые так же увлечены работой на стыке двух очень разных областей, как и она.
«Я не думаю, что полностью расцвел в инженерии, — сказал Харви. Когда она начала работать на грани биологии, она почувствовала, что может быть более творческой. Теперь, к разочарованию многих своих коллег-инженеров, она часами работает над совершенствованием фигурок птиц. «Я провожу половину своего времени за рисованием», — сказала она. «Это действительно изменило мою точку зрения».
