ในห้องสี่เหลี่ยมที่มีตาข่ายอำพราง เหยี่ยวของแฮร์ริสสี่ตัวผลัดกันบินไปมาระหว่างเกาะที่มีหญ้าปกคลุม ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์บันทึกการกระพือปีกทางชีวกลศาสตร์ของพวกมัน นักวิจัยได้เข้าร่วมในการไล่ตามเวลาอันทรงเกียรติในการดูนกบิน แม้ว่าในการทดลองนี้ ความสนใจที่แท้จริงของพวกเขาคือการเฝ้าดูพวกมันร่อนลงสู่พื้น
ในเที่ยวบินมากกว่า 1,500 เที่ยวระหว่างเกาะ เหยี่ยวทั้งสี่มักจะใช้เส้นทางเดียวกัน ไม่ใช่เส้นทางที่เร็วที่สุดหรือประหยัดพลังงานที่สุด แต่เป็นเส้นทางที่อนุญาตให้พวกมันเกาะได้อย่างปลอดภัยที่สุดและควบคุมได้ดีที่สุด เนื่องจาก เกรแฮมเทย์เลอร์ศาสตราจารย์วิชาชีววิทยาคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดและเพื่อนร่วมงานของเขา อธิบายไว้เมื่อเร็วๆนี้ in ธรรมชาติเหยี่ยวบินเป็นโค้งรูปตัวยู กระพือปีกอย่างรวดเร็วเพื่อเร่งดำน้ำ จากนั้นโฉบโฉบสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว กางปีกออกเพื่อชะลอความก้าวหน้าก่อนที่จะจับเกาะ
“การดูพวกมันช่างน่าทึ่ง” . กล่าว ลิเดีย ฝรั่งเศสนักวิทยาศาสตร์ข้อมูลการวิจัยที่ Alan Turing Institute และนักวิจัยดุษฎีบัณฑิตที่ University of Oxford ผู้ออกแบบและช่วยดำเนินการทดลอง ความสามารถของเหยี่ยวในการลงจอดโดยเกือบจะหยุดกลางอากาศนั้นไม่มีใครเทียบได้กับกลไกของพวกมัน
“วิวัฒนาการได้สร้างอุปกรณ์การบินที่ซับซ้อนกว่าที่เราเคยสร้างมา” . กล่าว สิมิก ภัตตาจารยาผู้ช่วยศาสตราจารย์ในห้องปฏิบัติการทดลองกลศาสตร์ของไหลที่มหาวิทยาลัย Central Florida สาเหตุที่เครื่องบินในปัจจุบันไม่สามารถเทียบได้กับความคล่องแคล่วของนก ไม่ใช่แค่เรื่องของวิศวกรรมเท่านั้น แม้ว่านกจะได้รับการสังเกตอย่างพิถีพิถันตลอดประวัติศาสตร์และเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบเครื่องบินโดย Leonardo da Vinci และคนอื่น ๆ ตลอดหลายศตวรรษที่ผ่านมา ชีวกลศาสตร์ที่ทำให้ความคล่องแคล่วของนกเป็นไปได้ส่วนใหญ่เป็นปริศนา
A การศึกษาสถานที่สำคัญ เผยแพร่เมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมาใน ธรรมชาติอย่างไรก็ตามได้เริ่มเปลี่ยนแปลงสิ่งนั้นแล้ว สำหรับงานวิจัยระดับปริญญาเอกของเธอที่มหาวิทยาลัยมิชิแกน คริสติน่า ฮาร์วีย์ และเพื่อนร่วมงานของเธอพบว่านกส่วนใหญ่สามารถเปลี่ยนปีกของพวกมันได้ระหว่างการบินเพื่อพลิกไปมาระหว่างการบินอย่างราบรื่นเหมือนเครื่องบินโดยสารและการบินผาดโผนเหมือนเครื่องบินขับไล่ งานของพวกเขาทำให้เห็นได้ชัดเจนว่านกสามารถเปลี่ยนทั้งลักษณะอากาศพลศาสตร์ที่ควบคุมวิธีที่อากาศเคลื่อนผ่านปีกและลักษณะเฉื่อยของร่างกายของนกซึ่งกำหนดวิธีที่พวกมันหมุนไปในอากาศเพื่อให้เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว
การค้นพบเหล่านี้ระบุถึงปัจจัยใหญ่ๆ ที่ไม่เคยมีใครรู้จักมาก่อน ซึ่งมีส่วนสนับสนุนความสามารถในการบินของนก และเผยให้เห็นถึงแรงกดดันทางวิวัฒนาการบางประการที่ทำให้นกมีความชำนาญในการบิน พวกเขายังช่วยร่างแบบพิมพ์เขียวที่วิศวกรในอนาคตอาจปฏิบัติตามเมื่อพยายามออกแบบเครื่องบินให้คล่องแคล่วและปรับเปลี่ยนได้ตามที่นกจัดการได้ ดูเหมือนว่าจะมีความสง่างามอย่างง่ายดาย แต่ใช้ทรัพยากรทางร่างกายและจิตใจที่รวดเร็วอย่างน่าเกรงขามที่เราเพิ่งเริ่มชื่นชม
Harvey ผู้ศึกษาวิศวกรรมเครื่องกลในระดับปริญญาตรี บรรยายการศึกษาของเธอเกี่ยวกับการบินนกว่า “การหาปริมาณบางสิ่งที่สำหรับฉัน ดูเหมือนเวทมนตร์” ในช่วงต้นของอาชีพการงาน ก่อนที่จะเปลี่ยนจากวิศวกรรมเป็นชีววิทยา เธอไม่เคยคิดว่าเธอจะเป็นคนที่พยายามแยกแยะความลับของนก
เรขาคณิตของนก
“ฉันไม่เคยชอบนกด้วยซ้ำ” ฮาร์วีย์กล่าว ทว่าวันหนึ่งในปี 2016 เธอนั่งบนหิ้งหินในสวนสาธารณะใกล้มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย พักผ่อนหลังจากเดินป่าระยะสั้นๆ และคิดว่าโครงการใดที่ต้องทำในฐานะนักศึกษาปริญญาโทที่เพิ่งได้รับการแต่งตั้งใหม่ในห้องทดลองชีววิทยา ล้อมรอบด้วยนกนางนวล เธอคิดว่า: “พวกมันบินได้เจ๋งมาก ถ้าคุณไม่สนใจว่ามันน่ารำคาญแค่ไหน”
นางนวลกลายเป็นนกที่เธอเรียกว่า "ประกายไฟ" อย่างรวดเร็ว และในไม่ช้าเธอก็เลิกหลีกเลี่ยงพวกมันและพยายามทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังแห่งการบินของพวกมัน แต่เมื่อฮาร์วีย์เจาะลึกลงไปในวรรณกรรม เธอตระหนักว่ามีช่องว่างสำคัญในความรู้ของเราว่านกบินได้อย่างไร
เธอได้รับแรงบันดาลใจจาก การศึกษา 2001 ที่เทย์เลอร์ได้ร่วมเขียนในขณะที่เขากำลังไล่ตามปริญญาเอกของเขาที่อ็อกซ์ฟอร์ด กระดาษของเทย์เลอร์เป็นเอกสารฉบับแรกในการวางรากฐานทางทฤษฎีว่านกและสัตว์บินอื่นๆ มีความมั่นคงได้อย่างไร ซึ่งเป็นลักษณะที่ป้องกันไม่ให้พวกมันถูกผลักไปในทิศทางที่ผิด
ความเสถียร เทย์เลอร์อธิบาย มาจากการรวมกันของความเสถียรโดยธรรมชาติ หรือการต่อต้านโดยธรรมชาติต่อการก่อกวน และการควบคุม ความสามารถในการปรับเปลี่ยนการตอบสนองต่อสิ่งรบกวน ความมั่นคงโดยธรรมชาติคือสิ่งที่เครื่องบินกระดาษที่ดีมี การควบคุมเป็นมือขวาของเครื่องบินรบรุ่นที่ห้า การวิจัยในปี 2001 แสดงให้เห็นว่าความมั่นคงโดยธรรมชาติมีส่วนสำคัญในการบินของนกมากกว่าที่เชื่อกันโดยทั่วไป
ไม่นานหลังจากอ่านบทความของเทย์เลอร์ ฮาร์วีย์เน้นงานระดับปริญญาเอกของเธอในการพัฒนาสมการไดนามิกของความเสถียรในการบินของนก “เรามีสมการทั้งหมดนี้สำหรับเครื่องบิน” เธอกล่าว “ฉันต้องการให้พวกเขาบินนก”
เพื่อให้เข้าใจถึงความเสถียรและความไม่เสถียรของการบินของนกและความท้าทายที่นกต้องเผชิญในการควบคุมพวกมัน Harvey ตระหนักว่าเธอและทีมของเธอจำเป็นต้องทำแผนที่คุณสมบัติเฉื่อยทั้งหมดของนก ซึ่งการศึกษาก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่ละเลยหรือถือว่าไม่สำคัญ คุณสมบัติเฉื่อยเกี่ยวข้องกับมวลของนกและการกระจายตัว ตรงกันข้ามกับคุณสมบัติตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่กระทำต่อนกที่กำลังเคลื่อนที่
Harvey และทีมของเธอได้รวบรวมซากนกแช่แข็ง 36 ตัว ซึ่งเป็นตัวแทนของ 22 สายพันธุ์ที่แตกต่างกันอย่างมาก จากพิพิธภัณฑ์ Beaty Biodiversity ที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในแวนคูเวอร์ ประเทศแคนาดา พวกเขาผ่าซากศพลงไปที่ขนแต่ละอัน ใช้การวัดความยาว น้ำหนัก และปีกนก จากนั้นจึงขยายและหดปีกด้วยตนเองเพื่อหาระยะการเคลื่อนที่ของข้อศอกและข้อมือของนก
พวกเขาเขียนโปรแกรมสร้างแบบจำลองใหม่ที่แสดงปีก กระดูก กล้ามเนื้อ ผิวหนัง และขนนกประเภทต่างๆ ในรูปแบบของรูปทรงเรขาคณิตหลายร้อยแบบ ซอฟต์แวร์ช่วยให้พวกเขาสามารถคำนวณลักษณะที่เกี่ยวข้อง เช่น จุดศูนย์ถ่วงและ "จุดที่เป็นกลาง" ที่เป็นศูนย์กลางอากาศพลศาสตร์ของนกในการบิน จากนั้นจึงกำหนดคุณสมบัติเหล่านั้นของนกแต่ละตัวด้วยปีกที่มีรูปร่างหลากหลาย
เพื่อหาจำนวนความมั่นคงและความคล่องแคล่วของนกแต่ละตัว พวกเขาคำนวณปัจจัยทางอากาศพลศาสตร์ที่เรียกว่าระยะขอบคงที่ ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์ถ่วงและจุดที่เป็นกลางซึ่งสัมพันธ์กับขนาดของปีก หากจุดศูนย์ถ่วงของนกอยู่หลังจุดศูนย์ถ่วง พวกเขาถือว่านกมีความมั่นคงโดยเนื้อแท้ หมายความว่านกที่บินได้จะกลับสู่เส้นทางบินเดิมตามธรรมชาติหากถูกผลักออกจากสมดุล หากจุดที่เป็นกลางอยู่ด้านหน้าจุดศูนย์ถ่วง นกจะไม่เสถียรและจะถูกผลักให้ไกลจากตำแหน่งที่อยู่นั้น ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอนสำหรับนกที่จะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างน่าทึ่ง
เมื่อวิศวกรการบินออกแบบเครื่องบิน พวกเขากำหนดระยะขอบคงที่เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพตามที่ต้องการ แต่นกต่างจากเครื่องบินที่สามารถขยับปีกและขยับท่าทางของร่างกายได้ ซึ่งจะทำให้ระยะขอบคงที่ของพวกมัน ฮาร์วีย์และทีมงานของเธอจึงได้ประเมินว่าความเสถียรโดยธรรมชาติของนกแต่ละตัวเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในรูปแบบปีกที่แตกต่างกัน
ฮาร์วีย์และเพื่อนร่วมงานของเธอใช้กรอบการทำงานที่ “คล้ายกับสิ่งที่เราทำกับเครื่องบินมาก” และปรับให้เข้ากับนก เอมมี่ วิสซาผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันผู้เขียนคำอธิบายเกี่ยวกับงานของพวกเขาสำหรับ ธรรมชาติ.
เที่ยวบินที่ยืดหยุ่น
เมื่อไดโนเสาร์เทอราพอดขนนกปล่อยตัวขึ้นสู่อากาศเมื่อประมาณ 160 ล้านปีก่อน พวกมันเป็นนักบินจำนวนจำกัด กระพือปีกในระยะทางสั้น ๆ หรือระเบิดเพียงเล็กน้อย แต่มีข้อยกเว้นเพียงไม่กี่ชนิด นกมากกว่า 10,000 สายพันธุ์ที่สืบเชื้อสายมาจากไดโนเสาร์เหล่านั้นได้พัฒนาเป็นเครื่องจักรการบินที่ไม่ธรรมดา ซึ่งสามารถร่อนได้อย่างสง่างามและการซ้อมรบกายกรรม ความคล่องแคล่วแบบนั้นต้องการการควบคุมข้อได้เปรียบของความไม่เสถียร — แล้วดึงออกมา
เนื่องจากนกสมัยใหม่นั้นคล่องแคล่วมาก นักชีววิทยาจึงสันนิษฐานว่าพวกมันมีวิวัฒนาการให้มีความไม่เสถียรมากขึ้นเรื่อยๆ ฮาร์วีย์กล่าวว่า “เชื่อกันว่านกก็เหมือนเครื่องบินขับไล่ ที่พึ่งพาความไม่มั่นคงเหล่านี้เพื่อทำการซ้อมรบที่รวดเร็วจริงๆ” “และนั่นเป็นสาเหตุที่นกบินในลักษณะที่เรายังไม่สามารถทำซ้ำได้”
แต่นักวิจัยพบว่ามีไก่ฟ้าเพียงสายพันธุ์เดียวเท่านั้นที่ไม่เสถียร สี่สปีชีส์มีความเสถียรอย่างสมบูรณ์ และ 17 สปีชีส์ รวมทั้งนกนางแอ่นและนกพิราบ สามารถสลับไปมาระหว่างการบินที่เสถียรและไม่เสถียรด้วยการเปลี่ยนปีกของพวกมัน “จริงๆ แล้ว สิ่งที่เราเห็นคือนกเหล่านี้สามารถสลับไปมาระหว่างรูปแบบที่เหมือนเครื่องบินขับไล่แบบเครื่องบินขับไล่ กับรูปแบบที่เหมือนเครื่องบินโดยสารมากกว่า” ฮาร์วีย์กล่าว
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติมโดยทีมของเธอชี้ให้เห็นว่าแทนที่จะเพิ่มความไม่เสถียรของนก วิวัฒนาการได้รักษาศักยภาพของพวกมันทั้งในด้านความเสถียรและความไม่เสถียร ในนกที่ศึกษาทั้งหมด ทีมงานของ Harvey พบหลักฐานว่าแรงกดดันในการคัดเลือกนั้นยังคงรักษาระยะขอบคงที่ซึ่งเปิดใช้งานทั้งสองพร้อมกัน เป็นผลให้นกมีความสามารถในการเปลี่ยนจากโหมดเสถียรเป็นโหมดที่ไม่เสถียรและย้อนกลับโดยเปลี่ยนคุณสมบัติการบินตามต้องการ
เครื่องบินสมัยใหม่ทำไม่ได้ ไม่ใช่แค่เพราะคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร์และแรงเฉื่อยได้รับการแก้ไขมากกว่า แต่เนื่องจากพวกเขาต้องการอัลกอริธึมการควบคุมสองแบบที่แตกต่างกันมาก เที่ยวบินที่ไม่เสถียรหมายถึงการแก้ไขอย่างต่อเนื่องเพื่อหลีกเลี่ยงการชน นกจะต้องทำสิ่งที่คล้ายกันและ “ต้องมีการรับรู้ในระดับหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับสิ่งนั้น” . กล่าว รีด โบว์แมนนักนิเวศวิทยาด้านพฤติกรรมและผู้อำนวยการโครงการนิเวศวิทยานกที่สถานีอาร์ชโบลด์ ไบโอโลจิคัล ในฟลอริดา
“ผู้คนพยายามทำความเข้าใจที่มาของนกตราบใดที่ผู้คนศึกษาวิวัฒนาการ – และอุปสรรคสำคัญคือความซับซ้อนของการบินและการที่เราไม่สามารถแยกแยะมันได้” กล่าว แมทธิว คาร์ราโนภัณฑารักษ์ของ Dinosauria ในแผนกบรรพชีวินวิทยาของสถาบันสมิธโซเนียน
สิ่งที่ทำให้เขาประหลาดใจมากที่สุดไม่ใช่ว่านกมีความสามารถเหล่านี้ที่จะเปลี่ยนระหว่างโหมดการบินที่เสถียรและไม่เสถียร ที่บางสปีชีส์เช่นไก่ฟ้าดูเหมือนจะไม่เป็นเช่นนั้น เขาสงสัยว่าสปีชีส์เหล่านั้นไม่เคยมีวิวัฒนาการหรือสูญเสียความสามารถไปบ้างหรือไม่ เช่นเดียวกับนกที่บินไม่ได้ในปัจจุบันซึ่งสืบเชื้อสายมาจากนกที่เคยบินได้
การสร้างเครื่องบินที่ดีขึ้น
กลศาสตร์การตีลังกา หมุน และดิ่งลงหลายครั้งที่นกเชี่ยวชาญนั้นไม่ใช่เรื่องที่ใครๆ ก็อยากสัมผัสบนเครื่องบินโดยสาร แต่อากาศยานไร้คนขับ หรือที่เรียกว่า UAV หรือโดรน มีอิสระในการซ้อมรบที่รุนแรง และความนิยมที่เพิ่มขึ้นสำหรับการใช้งานทางการทหาร วิทยาศาสตร์ นันทนาการ และด้านอื่นๆ กำลังสร้างโอกาสให้พวกเขาทำเช่นนั้นมากขึ้น
“นี่เป็นก้าวที่ยอดเยี่ยมในการสร้าง UAV ที่คล่องแคล่วมากขึ้น” Bhattacharya ซึ่งเมื่อเห็นการศึกษาของ Harvey ก็ส่งไปยังกลุ่มวิศวกรรมของเขาทันที UAV ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นเครื่องบินปีกแข็ง ซึ่งเหมาะสำหรับภารกิจเฝ้าระวังและเพื่อการเกษตร เนื่องจากสามารถบินได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นเวลาหลายชั่วโมงและเดินทางได้หลายพันกิโลเมตร อย่างไรก็ตาม พวกเขาขาดความคล่องแคล่วของโดรน quadcopters ที่เปราะบางซึ่งเป็นที่นิยมในหมู่นักเล่นอดิเรก นักวิจัยที่ แอร์บัส และ นาซา กำลังฝันถึงการออกแบบใหม่สำหรับเครื่องบินติดปีกที่สามารถเลียนแบบความสามารถในการหลบหลีกอันน่าทึ่งของนก
เทย์เลอร์และทีมของเขาหวังว่าจะวิเคราะห์ว่านกได้รับความสามารถในการทำงานที่ซับซ้อนในขณะที่เรียนรู้ที่จะบินได้อย่างไร หากนักวิจัยสามารถเข้าใจการซ้อมรบเหล่านี้ได้จริงๆ สักวันหนึ่งวิศวกรอาจรวม AI ไว้ในการออกแบบใบปลิวใหม่ ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถเลียนแบบชีววิทยาได้ ไม่เพียงแต่ในรูปลักษณ์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสามารถในการเรียนรู้พฤติกรรมการบินด้วย
ฮาร์วีย์กำลังตัดสินใจว่างานวิจัยในอนาคตของเธอจะอิงตามสเปกตรัมตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับการบินของนก ไปจนถึงการออกแบบและผลิตโดรนและเครื่องบิน ขณะที่เธอตั้งห้องปฏิบัติการแห่งใหม่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เดวิส แต่ก่อนอื่น เธอกำลังทำงานเพื่อสร้างทีมนักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์และชีววิทยาที่มีความกระตือรือร้นในการทำงานในขอบเขตของสองสาขาที่แตกต่างกันมากเช่นเดียวกับเธอ
“ฉันไม่คิดว่าฉันกำลังเบ่งบานเต็มที่ในด้านวิศวกรรม” ฮาร์วีย์กล่าว เมื่อเธอเริ่มทำงานด้านชีววิทยา เธอรู้สึกว่าเธอสามารถสร้างสรรค์ได้มากกว่านี้ ตอนนี้ เพื่อนร่วมงานด้านวิศวกรรมของเธอหลายคนต้องตกตะลึง เธอใช้เวลานานหลายชั่วโมงในการปั้นหุ่นนกให้สมบูรณ์แบบ “ฉันใช้เวลาครึ่งหนึ่งในการวาดรูป” เธอกล่าว “มันเปลี่ยนมุมมองของฉันจริงๆ”
