Kamuflaj ağlarıyla kaplı dikdörtgen bir odada, dört Harris şahini, çimenlerle kaplı tünekler arasında sırayla uçarken, bilim adamları her biyomekanik çarpıntıyı kaydettiler. Araştırmacılar, kuşların uçmasını izlemek için uzun zamandır onurlandırılan bir arayışa katılıyordu - bu deneyde asıl ilgileri onların karaya inişini izlemekti.
Tünemişler arasında 1,500'den fazla uçuşta, dört şahin neredeyse her zaman aynı yolu seçti - en hızlı veya en enerji tasarruflu olanı değil, en güvenli ve en kontrollü şekilde tünemelerine izin veren yolu. Olarak Graham TaylorOxford Üniversitesi'nde matematiksel biyoloji profesörü ve meslektaşları yakın zamanda tarif edildi in Tabiat, şahinler U şeklinde bir yay çizerek uçtular, hızla dalışa geçmek için kanatlarını çırptılar, sonra süzülerek keskin bir şekilde yukarı fırladılar, levreklere tutunmadan önce ilerlemelerini yavaşlatmak için kanatlarını uzattılar.
“Onları izlemek büyüleyici bir şekilde uzaylı” dedi. Lidya FransaAlan Turing Enstitüsü'nde araştırma veri bilimcisi ve Oxford Üniversitesi'nde deneyleri tasarlayan ve yürütmeye yardımcı olan doktora sonrası araştırmacı. Şahinlerin havada neredeyse durarak inme yeteneği, mekanik muadilleri ile eşsizdir.
"Evrim, bizim şimdiye kadar üretebildiğimizden çok daha karmaşık bir uçan cihaz yarattı" dedi. Samik BhattacharyaCentral Florida Üniversitesi'ndeki deneysel akışkanlar mekaniği laboratuvarında yardımcı doçent olan Dr. Günümüz uçaklarının kuşların manevra kabiliyetine yetişememesinin nedenleri sadece bir mühendislik meselesi değildir. Kuşlar tarih boyunca titizlikle gözlemlenmiş ve yüzyıllar boyunca Leonardo da Vinci ve diğerlerinin uçan makine tasarımlarına ilham vermiş olsa da, kuşların manevra kabiliyetini mümkün kılan biyomekanik büyük ölçüde bir gizem olmuştur.
A dönüm noktası çalışması geçen Mart ayında yayınlandı Tabiatancak bunu değiştirmeye başladı. Michigan Üniversitesi'ndeki doktora araştırması için, Christina Harvey ve meslektaşları, çoğu kuşun, bir yolcu uçağı gibi yumuşak bir şekilde uçmak ile bir savaş uçağı gibi akrobatik bir şekilde uçmak arasında gidip gelmek için uçuş ortasında kanatlarını değiştirebildiğini buldu. Çalışmaları, kuşların hem havanın kanatları üzerinde nasıl hareket ettiğini yöneten aerodinamik özellikleri hem de hızlı manevraları tamamlamak için havada nasıl yuvarlandıklarını belirleyen vücutlarının atalet özelliklerini tamamen değiştirebileceklerini açıkça ortaya koyuyor.
Bu keşifler, kuşların akrobasi yeteneklerine katkıda bulunan daha önce bilinmeyen büyük faktörleri belirledi ve kuşları uçma konusunda bu kadar yetkin yapan bazı evrimsel baskıları ortaya çıkardı. Ayrıca, kuşların başarabildiği kadar manevra kabiliyetine sahip ve uyarlanabilir uçaklar tasarlamaya çalışırken, görünüşte zahmetsiz bir zarafetle, ancak takdir etmeye başladığımız müthiş hızlı fiziksel ve zihinsel kaynaklardan yararlanarak geleceğin mühendislerinin izleyebilecekleri planları yeniden tasarlamaya yardımcı oluyorlar.
Lisans olarak makine mühendisliği okuyan Harvey, kuş uçuşu çalışmalarını “bana sihir gibi görünen bir şeyi ölçmek” olarak tanımlıyor. Kariyerinin başlarında, mühendislikten biyolojiye geçiş yapmadan önce, kuşların sırlarını anlamaya çalışanın kendisi olacağını hiç düşünmemişti.
Kuşların Geometrisi
Harvey, “Kuşları bile sevmezdim” dedi. Yine de 2016'da bir gün, British Columbia Üniversitesi yakınlarındaki bir parkta kayalık bir çıkıntıya oturdu, kısa bir yürüyüşün ardından dinlendi ve biyoloji laboratuvarında yeni atanan bir yüksek lisans öğrencisi olarak hangi projeyi izleyeceğini düşündü. Etrafı martılarla çevriliyken şöyle düşündü: "Ne kadar sinir bozucu olduklarını görmezden gelirseniz gerçekten harika uçuyorlar."
Martı hızla "kıvılcım" kuşu dediği şeye dönüştü ve kısa süre sonra uçma güçleri hakkında daha fazla şey anlamaya çalışmak için onlardan kaçınmaktan vazgeçti. Ancak Harvey literatürün derinliklerine indikçe kuşların nasıl uçtuğuna dair bilgimizde büyük boşluklar olduğunu fark etti.
Derinden ilham aldı Bir 2001 çalışması Taylor'ın Oxford'da doktorasını sürdürürken birlikte yazdığı bir kitap. Taylor'ın makalesi, kuşların ve diğer uçan hayvanların, onları yanlış yöne itilmelerini engelleyen özelliği, istikrarı nasıl sağladıklarına dair teorik bir zemin hazırlayan ilk kişiydi.
Taylor, kararlılığın, doğal kararlılık veya bozulmalara karşı doğuştan gelen direnç ile bozulmalara verilen tepkileri değiştirmeye yönelik aktif bir yetenek olan kontrolün bir kombinasyonundan geldiğini açıkladı. İyi bir kağıt uçağın sahip olduğu yapısal kararlılıktır; Kontrol, beşinci nesil bir savaş uçağının gücüdür. 2001 araştırması, doğal istikrarın kuşların uçuşunda genel olarak inanıldığından daha büyük bir rol oynadığını gösterdi.
Taylor'ın makalesini okuduktan kısa bir süre sonra Harvey, doktora çalışmasını kuş uçuşunda ilk dinamik denge denklemlerini geliştirmeye odakladı. “Uçaklar için tüm bu denklemlere sahibiz” dedi. “Onları kuş uçuşu için istedim.”
Kuş uçuşunun istikrarını ve kararsızlığını ve kuşların onları kontrol ederken karşılaştığı zorlukları anlamak için Harvey, kendisinin ve ekibinin kuşların tüm atalet özelliklerinin haritasını çıkarmaları gerektiğini fark etti. Eylemsizlik özellikleri, hareket halindeki bir kuşa etki eden aerodinamik özelliklerin aksine, bir kuşun kütlesi ve nasıl dağıldığı ile ilgilidir.
Harvey ve ekibi, Kanada, Vancouver'daki British Columbia Üniversitesi'ndeki Beaty Biyoçeşitlilik Müzesi'nden 36 farklı türü temsil eden 22 donmuş kuş kadavrası topladı. Kadavraları her bir tüye kadar parçalara ayırdılar, uzunluk, ağırlık ve kanat açıklığı ölçümlerini aldılar ve kuşların dirsek ve bileklerinin hareket aralığını anlamak için kanatları elle uzatıp daralttılar.
Yüzlerce geometrik şeklin kombinasyonları olarak farklı kanat, kemik, kas, deri ve tüy türlerini temsil eden yeni bir modelleme programı yazdılar. Yazılım, ağırlık merkezi ve uçan kuşun aerodinamik merkezi olan “nötr nokta” gibi ilgili özellikleri hesaplamalarına izin verdi. Daha sonra, kanatları çeşitli şekillerde yapılandırılmış olan her kuş için bu özellikleri belirlediler.
Her kuşun stabilitesini ve manevra kabiliyetini ölçmek için, statik sınır adı verilen aerodinamik bir faktör, ağırlık merkezi ile kanadın boyutlarına göre nötr noktası arasındaki mesafeyi hesapladılar. Bir kuşun nötr noktası, ağırlık merkezinin arkasındaysa, kuşun doğası gereği dengeli olduğunu düşündüler, yani uçan kuş, dengesini bozarsa doğal olarak orijinal uçuş yoluna geri dönecekti. Tarafsız nokta ağırlık merkezinin önünde olsaydı, kuş dengesizdi ve bulunduğu konumdan daha uzağa itilirdi - bu, bir kuşun nefes kesici bir manevra yapabilmesi için tam olarak olması gereken şeydir.
Havacılık mühendisleri uçak tasarlarken, istenen performansı elde etmek için statik marjları ayarlarlar. Ancak kuşlar, uçakların aksine kanatlarını hareket ettirebilir ve vücut duruşlarını değiştirebilir, böylece statik kenar boşluklarını değiştirebilir. Bu nedenle Harvey ve ekibi, her bir kuşun doğal stabilitesinin farklı kanat konfigürasyonlarında nasıl değiştiğini de değerlendirdi.
Aslında, Harvey ve meslektaşları “uçaklar için yaptığımıza çok benzeyen” bir çerçeve aldı ve onu kuşlara uyarladı, dedi. nişanlı WissaPrinceton Üniversitesi'nde mekanik ve havacılık mühendisliği yardımcı doçenti olan ve çalışmaları hakkında bir yorum yazan Tabiat.
Esnek Uçuş
Yaklaşık 160 milyon yıl önce tüylü therapod dinozorlar kendilerini havaya fırlattıklarında, yalnızca kısa mesafelerde veya küçük patlamalar halinde çırpınan sınırlı uçuculardı. Ancak birkaç istisna dışında, bu dinozorlardan türeyen 10,000'den fazla kuş türü, zarif kayma ve akrobatik manevralar yapabilen olağanüstü uçuş makinelerine dönüştü. Bu tür bir manevra kabiliyeti, istikrarsızlıktan kontrollü bir şekilde yararlanmayı ve ardından ondan çekilmeyi gerektirir.
Modern kuşlar çok manevra kabiliyetine sahip oldukları için biyologlar, giderek daha dengesiz olacak şekilde evrimleştiklerini varsaydılar. Harvey, "Savaş uçakları gibi kuşların, bu gerçekten hızlı manevraları gerçekleştirmek için bu dengesizliklere yaslandıklarına inanılıyordu" dedi. "Ve bu yüzden kuşlar, henüz tam olarak kopyalayamadığımız şekilde uçarlar."
Ancak araştırmacılar, inceledikleri türlerden yalnızca birinin, sülün'ün tamamen kararsız olduğunu buldular. Dört tür tamamen dengeliydi ve kayalar ve güvercinler de dahil olmak üzere 17 tür, kanatlarını değiştirerek dengeli ve dengesiz uçuş arasında geçiş yapabiliyordu. Harvey, "Gerçekten, bu kuşların bu tür daha savaş uçağı benzeri bir tarz ile daha çok yolcu uçağı benzeri bir tarz arasında geçiş yapabildiğini görüyoruz" dedi.
Ekibi tarafından daha fazla matematiksel modelleme, kuşların kararsızlığını arttırmak yerine, evrimin hem istikrar hem de kararsızlık potansiyellerini koruduğunu ileri sürdü. Harvey'in ekibi, incelenen tüm kuşlarda, seçilim baskılarının aynı anda her ikisini de mümkün kılan statik sınırları koruduğuna dair kanıtlar buldu. Sonuç olarak, kuşlar, uçuş özelliklerini gerektiği gibi değiştirerek, kararlı bir moddan kararsız bir moda geçme ve geri dönme yeteneğine sahiptir.
Modern uçaklar, sadece aerodinamik ve atalet özellikleri daha sabit olduğu için değil, aynı zamanda çok farklı iki kontrol algoritmasına ihtiyaç duyacakları için bunu yapamaz. Kararsız uçuş, çarpışmayı önlemek için sürekli düzeltmeler yapmak anlamına gelir. Kuşlar benzer bir şey yapmak zorunda olmalı ve “bunda bir miktar biliş olmalı” dedi. kamış okçuFlorida'daki Archbold Biyoloji İstasyonu'ndaki kuş ekolojisi programının bir davranış ekoloğu ve yöneticisi olan Dr.
"İnsanlar evrimi araştırdıkça, kuşların kökenini anlamaya çalışıyorlar - ve büyük bir engel, uçuşun karmaşıklığı ve onu yapıbozuma uğratamamamızdı" dedi. Matthew Carrano, Smithsonian Enstitüsü paleobiyoloji bölümünde Dinozorya küratörü.
Onu en çok şaşırtan şey, kuşların istikrarlı ve kararsız uçuş modları arasında geçiş yapma yeteneklerine sahip olmaları değil; sülün gibi bazı türler görünüşte yok. Bu türlerin onu hiç evrimleştirmediğini veya bir noktada yeteneklerini yitirip kaybetmediklerini merak ediyor, tıpkı modern uçamayan kuşların bir zamanlar uçabilenlerden türediği gibi.
Daha İyi Uçak İnşa Etmek
Kuşların ustalaştığı takla atma, dönme ve düşme manevralarının çoğu, kimsenin bir yolcu uçağında deneyimlemek isteyeceği türden değildir. Ancak İHA veya insansız hava araçları olarak da bilinen mürettebatsız hava araçları, sert manevralar yapmakta daha özgürdür ve askeri, bilimsel, eğlence ve diğer kullanımlar için artan popülariteleri, bunu yapmaları için daha fazla fırsat yaratmaktadır.
Harvey'in çalışmasını görünce hemen mühendislik grubuna gönderen Bhattacharya, “Bu, daha manevra kabiliyetine sahip İHA'lar üretmeye yönelik büyük bir adım” dedi. Günümüzde çoğu İHA, saatlerce verimli bir şekilde uçabildikleri ve binlerce kilometre kat edebildikleri için gözetleme görevleri ve tarımsal amaçlar için harika olan sabit kanatlı uçaklardır. Bununla birlikte, hobiler arasında popüler olan kırılgan dörtlü dronların manevra kabiliyetinden yoksundurlar. Araştırmacılar hava otobüsü ve NASA kuşların inanılmaz manevra yeteneklerini taklit edebilecek kanatlı uçaklar için yeni tasarımlar hayal ediyorlar.
Taylor ve ekibi, kuşların uçmayı öğrenirken karmaşık görevleri yerine getirme yeteneğini nasıl kazandıklarını analiz etmeyi umuyor. Araştırmacılar bu manevraları gerçekten anlayabilirlerse, mühendisler bir gün yeni uçakların tasarımına yapay zekayı dahil edebilir ve bu da onların biyolojiyi sadece görünüşte değil, uçuş davranışlarını öğrenme yeteneklerinde de taklit etmelerini sağlayabilir.
Davis, California Üniversitesi'nde yeni laboratuvarını kurarken Harvey, gelecekteki araştırmalarının temel araştırmalardan kuş uçuşuna, dron ve uçak tasarlama ve üretmeye kadar uzanan yelpazede nerede olacağına karar veriyor. Ama önce, kendisi kadar çok farklı iki alanın sınırında çalışmak konusunda tutkulu olan mühendislik ve biyoloji öğrencilerinden oluşan bir ekip kurmaya çalışıyor.
Harvey, “Tamamen mühendislik içinde çiçek açtığımı düşünmüyorum” dedi. Biyolojinin sınırında çalışmaya başladığında daha yaratıcı olabileceğini hissetti. Şimdi, pek çok mühendislik meslektaşının dehşete düşmesine rağmen, kuş figürlerini mükemmelleştirmek için uzun saatler harcıyor. “Zamanımın yarısını çizerek geçiriyorum” dedi. “Gerçekten bakış açımı değiştirdi.”
