I ett rektangulärt rum draperat i kamouflagenät turades fyra Harris hökar om att flyga fram och tillbaka mellan grästäckta sittpinnar medan forskare registrerade varje biomekaniskt fladder. Forskarna deltog i den hävdvunna jakten på att se fåglar flyga - även om deras verkliga intresse i detta experiment var att se dem landa.
Under mer än 1,500 XNUMX flygningar mellan sittpinnar tog de fyra hökarna nästan alltid samma väg - inte den snabbaste eller mest energieffektiva, utan den som gjorde det möjligt för dem att sitta säkrast och med mest kontroll. Som Graham Taylor, professor i matematisk biologi vid University of Oxford, och hans kollegor beskrev nyligen in Natur, flög hökarna i en U-formad båge, flaxade snabbt med vingarna för att accelerera in i ett dyk, svepte sedan kraftigt uppåt i en glidning, sträckte ut sina vingar för att sakta ner deras framfart innan de grep tag i abborren.
"Att titta på dem är fascinerande främmande," sa Lydia Frankrike, en forskningsdataforskare vid Alan Turing Institute och en postdoktor vid University of Oxford som designade och hjälpte till att köra experimenten. Hökarnas förmåga att landa genom att nästan stanna i luften är oöverträffad av deras mekaniska motsvarigheter.
"Evolutionen har skapat en mycket mer komplicerad flygande enhet än vi någonsin har kunnat konstruera," sa Samik Bhattacharya, en biträdande professor i laboratoriet för experimentell vätskemekanik vid University of Central Florida. Anledningarna till att dagens flygplan inte kan matcha fågelmanövrerbarhet är inte bara en fråga om ingenjörskonst. Även om fåglar har observerats noggrant genom historien och har inspirerat design för flygmaskiner av Leonardo da Vinci och andra genom århundradena, har biomekaniken som gör fåglarnas manövrerbarhet möjlig till stor del varit ett mysterium.
A landmärke studie publicerades i mars förra året Naturhar dock börjat ändra på det. För sin doktorsforskning vid University of Michigan, Christina Harvey och hennes kollegor fann att de flesta fåglar kan förändra sina vingar mitt under flygningen för att vända fram och tillbaka mellan att flyga smidigt som ett passagerarplan och att flyga akrobatiskt som ett stridsflygplan. Deras arbete gör det klart att fåglar helt kan förändra både de aerodynamiska egenskaperna som styr hur luften rör sig över deras vingar och tröghetsegenskaperna hos deras kroppar som avgör hur de tumlar genom luften för att slutföra snabba manövrar.
Dessa upptäckter identifierade stora, tidigare okända faktorer som bidrog till fåglarnas aerobatiska skicklighet och avslöjade några av de evolutionära tryck som gjorde fåglarna så skickliga att flyga. De hjälper också till att omarbeta ritningarna som framtida ingenjörer kan följa när de försöker designa flygplan så manövrerbara och anpassningsbara som fåglar lyckas vara, till synes utan ansträngning men med hjälp av oerhört snabba fysiska och mentala resurser som vi precis har börjat uppskatta.
Harvey, som studerade maskinteknik som grundexamen, beskriver sina studier av fågelflyg som "att kvantifiera något som för mig ser ut som magi." Tidigt i sin karriär, innan hon gjorde en övergång från teknik till biologi, trodde hon aldrig att hon skulle vara den som försökte urskilja fåglarnas hemligheter.
Fåglarnas geometri
"Jag brukade inte ens gilla fåglar," sa Harvey. Men en dag 2016 satt hon på en klippavsats i en park nära University of British Columbia, vilade efter en kort vandring och funderade på vilket projekt hon skulle ägna sig åt som nyutnämnd masterstudent i ett biologilabb. Omgiven av måsar tänkte hon: "De flyger riktigt coolt, om man bortser från hur irriterande de är."
Måsen blev snabbt vad hon kallar sin "gnista"-fågel, och hon gav snart upp att undvika dem till förmån för att försöka förstå mer om deras förmåga att flyga. Men när Harvey grävde djupare i litteraturen insåg hon att det fanns stora luckor i vår kunskap om hur fåglar flyger.
Hon blev djupt inspirerad av en 2001 studie som Taylor var medförfattare till när han fortsatte sin doktorsexamen vid Oxford. Taylors papper var den första som lade ut en teoretisk grund för hur fåglar och andra flygande djur uppnår stabilitet, egenskapen som hindrar dem från att knuffas i fel riktning.
Stabilitet, förklarade Taylor, kommer från en kombination av inneboende stabilitet, eller medfödd motstånd mot störningar, och kontroll, en aktiv förmåga att ändra svar på störningar. Inneboende stabilitet är vad ett bra pappersflygplan har; kontroll är en femte generationens stridsflygplans styrka. Forskningen från 2001 visade att inbyggd stabilitet spelade en större roll i fåglarnas flykt än vad man allmänt trodde.
Strax efter att ha läst Taylors papper fokuserade Harvey sitt doktorandarbete på att utveckla de första dynamiska ekvationerna för stabilitet i fågelflyg. "Vi har alla dessa ekvationer för flygplan," sa hon. "Jag ville ha dem för fågelflykt."
För att förstå stabiliteten och instabiliteten hos fåglarnas flygning och de utmaningar som fåglar står inför när det gäller att kontrollera dem, insåg Harvey att hon och hennes team behövde kartlägga alla tröghetsegenskaper hos fåglar, något som tidigare studier till stor del ignorerat eller behandlat som oviktigt. Tröghetsegenskaperna relaterar till en fågels massa och hur den är fördelad, i motsats till de aerodynamiska egenskaper som verkar på en fågel i rörelse.
Harvey och hennes team samlade ihop 36 frusna fågelkadaver – representerande 22 mycket olika arter – från Beaty Biodiversity Museum vid University of British Columbia i Vancouver, Kanada. De dissekerade kadaverna ner till varje enskild fjäder, tog längd-, vikt- och vingbreddsmått och förlängde och drog ihop vingarna manuellt för att ta reda på rörelseomfånget för fåglarnas armbågar och handleder.
De skrev ett nytt modelleringsprogram som representerade olika typer av vingar, ben, muskler, hud och fjädrar som kombinationer av hundratals geometriska former. Programvaran gjorde det möjligt för dem att beräkna relevanta egenskaper som tyngdpunkten och den "neutrala punkten" som är fågelns aerodynamiska centrum under flygning. De bestämde sedan dessa egenskaper för varje fågel med sina vingar konfigurerade i en mängd olika former.
För att kvantifiera varje fågels stabilitet och manövrerbarhet beräknade de en aerodynamisk faktor som kallas statisk marginal, avståndet mellan dess tyngdpunkt och dess neutrala punkt i förhållande till vingens dimensioner. Om en fågels neutrala punkt låg bakom dess tyngdpunkt, ansåg de att fågeln var stabil i sig, vilket innebär att den flygande fågeln naturligt skulle återgå till sin ursprungliga flygbana om den hamnade ur balans. Om den neutrala punkten var framför tyngdpunkten så var fågeln instabil och skulle pressas längre från positionen den var i - vilket är precis vad som måste hända för att en fågel ska kunna göra en hisnande manöver.
När flygingenjörer designar flygplan ställer de in de statiska marginalerna för att uppnå önskad prestanda. Men fåglar, till skillnad från flygplan, kan röra sina vingar och ändra sina kroppsställningar och därigenom ändra sina statiska marginaler. Harvey och hennes team utvärderade därför också hur varje fågels inneboende stabilitet förändrades i olika vingkonfigurationer.
I själva verket tog Harvey och hennes kollegor ett ramverk som är "mycket likt vad vi gör för flygplan" och anpassade det till fåglar, sa Sikta Wissa, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid Princeton University som skrev en kommentar om deras arbete för Natur.
Flexibel flygning
När fjäderlätta terapeutiska dinosaurier lanserade sig i luften för ungefär 160 miljoner år sedan, var de begränsade flygblad, fladdrade bara över korta avstånd eller i små skurar. Men med bara några få undantag har de mer än 10,000 XNUMX fågelarter som härstammar från dessa dinosaurier utvecklats till extraordinära flygmaskiner, kapabla till graciösa glid och akrobatiska manövrar. Den typen av manövrerbarhet kräver kontrollerad fördel av instabilitet - och sedan dra sig ur den.
Eftersom moderna fåglar är så manövrerbara, antog biologer att de hade utvecklats till att bli mer och mer instabila. "Man trodde att fåglar, som stridsflygplan, bara lutar sig in i dessa instabiliteter för att utföra dessa riktigt snabba manövrar," sa Harvey. "Och det är därför fåglar flyger på det här sättet som vi inte riktigt kan replikera än."
Men forskarna fann att bara en av arterna de tittade på, fasanen, var helt instabil. Fyra arter var helt stabila och 17 arter - inklusive hassvalor och duvor - kunde växla mellan stabil och instabil flygning genom att förändra sina vingar. "Verkligen, det vi ser är att dessa fåglar kan växla mellan den typen av mer stridsflygplansliknande stil och en mer passagerarjetliknande stil," sa Harvey.
Ytterligare matematisk modellering av hennes team antydde att snarare än att öka fåglarnas instabilitet, har evolutionen bevarat deras potential för både stabilitet och instabilitet. Hos alla de studerade fåglarna fann Harveys team bevis för att urvalstrycket samtidigt upprätthöll statiska marginaler som möjliggjorde båda. Som ett resultat har fåglar förmågan att växla från ett stabilt läge till ett instabilt och tillbaka, och ändra sina flygegenskaper efter behov.
Moderna flygplan kan inte göra det, inte bara för att deras aerodynamiska och tröghetsegenskaper är mer fixerade utan för att de skulle behöva två väldigt olika kontrollalgoritmer. Instabil flygning innebär att ständigt göra korrigeringar för att undvika att krascha. Fåglar måste behöva göra något liknande och "det måste finnas en viss nivå av kognition inblandad i det," sa Reed Bowman, en beteendeekolog och direktör för det avian ekologiprogramet vid Archbold Biological Station i Florida.
"Människor har försökt förstå fåglarnas ursprung så länge som människor har studerat evolutionen - och ett stort hinder har varit flygningens komplexitet och vår oförmåga att dekonstruera den," sa Matthew Carrano, curator för Dinosauria vid Smithsonian Institutions avdelning för paleobiologi.
Det som förvånar honom mest är inte att fåglar har dessa förmågor att växla mellan stabila och instabila flyktsätt; det är att vissa arter, som fasanen, till synes inte gör det. Han undrar om dessa arter aldrig utvecklat den eller om de tappade förmågan någon gång, precis som moderna flyglösa fåglar härstammar från de som en gång kunde flyga.
Bygga bättre flygplan
Många av de kullerbyttor, snurrande och sjunkande manövrar som fåglar har bemästrat är inte sådana som någon skulle vilja uppleva i ett passagerarflygplan. Men obemannade flygfordon, även kända som UAV eller drönare, är friare att göra drastiska manövrar, och deras ökande popularitet för militär, vetenskaplig, rekreations- och annan användning skapar fler möjligheter för dem att göra det.
"Detta är ett stort steg mot att generera mer manövrerbara UAV," sade Bhattacharya, som, när han såg Harveys studie, omedelbart skickade den till sin ingenjörsgrupp. De flesta UAV är idag flygplan med fasta vingar, som är utmärkta för övervakningsuppdrag och jordbruksändamål eftersom de kan flyga effektivt i timmar och korsa tusentals kilometer. Men de saknar manövrerbarheten hos de ömtåliga quadcopters drönarna som är populära bland hobbyister. Forskare vid Airbus och NASA drömmer om nya mönster för bevingade flygplan som kan efterlikna några av fåglarnas otroliga manövreringstalanger.
Taylor och hans team hoppas kunna analysera hur fåglar får förmågan att utföra komplexa uppgifter samtidigt som de lär sig att flyga. Om forskare verkligen kan förstå dessa manövrar, kan ingenjörer en dag inkludera AI i utformningen av nya flygblad, vilket gör det möjligt för dem att efterlikna biologin inte bara till utseendet utan även i deras förmåga att lära sig flygbeteenden.
När hon inrättar sitt nya labb vid University of California, Davis, bestämmer Harvey fortfarande var hennes framtida forskning ska ligga på spektrumet från grundforskning om fågelflyg till design och tillverkning av drönare och flygplan. Men först arbetar hon för att bygga upp ett team av ingenjörs- och biologistudenter som brinner lika mycket för att arbeta på gränsen mellan två väldigt olika fält som hon.
"Jag tror inte att jag blomstrade helt inom tekniken," sa Harvey. När hon började arbeta på kanten av biologi kände hon att hon kunde vara mer kreativ. Nu, till många av sina ingenjörskollegor, tillbringar hon långa timmar med att fullända fågelfigurer. "Jag ägnar halva min tid åt att rita", sa hon. "Det har verkligen förändrat mitt perspektiv."
