У прямокутній кімнаті, задрапірованій маскувальною сіткою, чотири яструби Гарріса по черзі літали туди-сюди між вкритими травою окунями, а вчені записували кожне їхнє біомеханічне пурхання. Дослідники брали участь у перевіреній часом погоні спостерігати за польотом птахів, хоча в цьому експерименті їх справжнім інтересом було спостерігати за тим, як вони приземляються.
У понад 1,500 польотів між сідалами чотири яструби майже завжди йшли одним і тим же шляхом — не найшвидшим або найенергоефективним, але таким, який дозволяв їм сісти найбезпечніше та з найбільшим контролем. як Грем Тейлор, професор математичної біології Оксфордського університету та його колеги описаний нещодавно in природа, яструби летіли U-подібною дугою, швидко змахуючи крилами, щоб прискоритися до пірнання, а потім різко злітали вгору, ковзаючи, витягуючи крила, щоб уповільнити просування, перш ніж схопитися на жердинку.
«Спостерігати за ними надзвичайно чужорідно», — сказав Лідія Франс, дослідник даних в Інституті Алана Тюрінга та постдокторант Оксфордського університету, який розробив і допоміг провести експерименти. Здатність яструбів приземлятися, майже зупиняючись у повітрі, не поступається їхнім механічним аналогам.
«Еволюція створила набагато складніший літальний пристрій, ніж ми коли-небудь могли створити», — сказав Самік Бхаттачарья, асистент професора в експериментальній лабораторії механіки рідини в Університеті Центральної Флориди. Причини, чому сучасні літаки не можуть зрівнятися з маневреністю птахів, полягають не просто в інженерії. Незважаючи на те, що за птахами прискіпливо спостерігали протягом всієї історії, і вони надихали Леонардо да Вінчі та інших на створення літальних апаратів протягом століть, біомеханіка, яка робить можливою маневреність птахів, здебільшого залишалася загадкою.
A Орієнтир дослідження опубліковано в березні минулого року природа, однак це почало змінювати. За її докторське дослідження в Університеті Мічигану, Христина Харві і її колеги виявили, що більшість птахів можуть трансформувати свої крила під час польоту, щоб обертатися вперед і назад між плавним польотом, як пасажирський літак, і акробатичним польотом, як винищувач. Їхня робота чітко показує, що птахи можуть повністю змінювати як аеродинамічні характеристики, які керують тим, як повітря рухається над їхніми крилами, так і інерційні характеристики їхніх тіл, які визначають, як вони перекидаються в повітрі для виконання швидких маневрів.
Ці відкриття виявили великі, раніше невідомі фактори, що сприяють пілотажу птахів, і виявили деякі еволюційні навантаження, які зробили птахів настільки вправними в польоті. Вони також допомагають переробити креслення, за якими майбутні інженери могли б керуватися, намагаючись сконструювати літаки, такі ж маневрені та адаптивні, як це вдається птахам, здавалося б, з легкою витонченістю, але спираючись на неймовірно швидкі фізичні та розумові ресурси, які ми тільки починаємо цінувати.
Гарві, яка вивчала машинобудування в якості студента, описує свої дослідження польоту птахів як «кількісне визначення чогось, що для мене виглядає як магія». На початку своєї кар’єри, до переходу від інженерії до біології, вона ніколи не думала, що саме вона намагатиметься розгадати секрети птахів.
Геометрія птахів
«Раніше я навіть не любив птахів, — сказав Харві. І все ж одного разу в 2016 році вона сиділа на скелястому виступі в парку біля Університету Британської Колумбії, відпочивала після невеликої прогулянки й розмірковувала про те, який проект продовжити, будучи нещодавно призначеною студенткою магістратури в біологічній лабораторії. В оточенні чайок вона подумала: «Вони дуже круто літають, якщо ігнорувати, як вони дратують».
Чайка швидко стала тим, що вона називає своїм птахом «іскра», і невдовзі вона перестала уникати їх, щоб спробувати більше зрозуміти їхню здатність до польоту. Але коли Гарві заглибилася в літературу, вона зрозуміла, що в наших знаннях про те, як птахи літають, є великі прогалини.
Вона була глибоко натхненна Дослідження 2001 яку Тейлор написав у співавторстві, коли навчався над докторською дисертацією в Оксфорді. Стаття Тейлора була першою, яка виклала теоретичну основу того, як птахи та інші літаючі тварини досягають стабільності, риси, яка утримує їх від штовхання в неправильному напрямку.
Стабільність, пояснив Тейлор, походить від поєднання внутрішньої стабільності, або вродженої стійкості до збурень, і контролю, активної здатності змінювати реакції на збурення. Внутрішня стабільність – це те, що має хороший паперовий літачок; контроль є сильною стороною винищувача п'ятого покоління. Дослідження 2001 року показало, що природна стабільність відіграє більшу роль у польоті птахів, ніж прийнято вважати.
Незабаром після прочитання статті Тейлора Харві зосередила свою докторську роботу на розробці перших динамічних рівнянь стабільності польоту птахів. «У нас є всі ці рівняння для літаків», — сказала вона. «Я хотів їх для пташиного польоту».
Харві зрозуміла, що, щоб зрозуміти стабільність і нестабільність польоту птахів і труднощі, з якими стикаються птахи, контролюючи їх, їй і її команді потрібно було скласти карту всіх інерційних властивостей птахів, які попередні дослідження здебільшого ігнорували або вважали неважливими. Інерційні властивості пов’язані з масою птаха та її розподілом, на відміну від аеродинамічних властивостей, які діють на птаха під час руху.
Харві та її команда зібрали 36 заморожених трупів птахів — представників 22 дуже різних видів — із Музею біорізноманіття Біті в Університеті Британської Колумбії у Ванкувері, Канада. Вони розібрали трупи до кожного окремого пера, виміряли довжину, вагу та розмах крил, а також вручну розтягнули та стисли крила, щоб визначити діапазон рухів ліктів і зап’ястя птахів.
Вони написали нову програму моделювання, яка представляла різні типи крил, кісток, м’язів, шкіри та пір’я як комбінації сотень геометричних фігур. Програмне забезпечення дозволило їм обчислити відповідні характеристики, такі як центр тяжіння та «нейтральна точка», яка є аеродинамічним центром птаха в польоті. Потім вони визначили ці властивості для кожного птаха з різними формами крил.
Щоб кількісно оцінити стабільність і маневреність кожного птаха, вони розрахували аеродинамічний фактор, який називається статичним запасом, тобто відстань між його центром ваги та його нейтральною точкою відносно розмірів крила. Якщо нейтральна точка птаха знаходилася позаду його центру тяжіння, вони вважали птаха за своєю суттю стабільним, що означає, що літаючий птах природним чином повертався на початкову траєкторію польоту, якщо його штовхнути з рівноваги. Якщо нейтральна точка була перед центром тяжіння, то птах був нестабільним і був би штовхнутий далі від положення, у якому він перебував — саме це має статися, щоб птах міг зробити приголомшливий маневр.
Коли аеронавігаційні інженери проектують літаки, вони встановлюють статичні запаси для досягнення бажаних характеристик. Але птахи, на відміну від літаків, можуть рухати крилами та змінювати положення тіла, тим самим змінюючи свої статичні поля. Тому Харві та її команда також оцінили, як змінювалася властива кожному птаху стабільність у різних конфігураціях крил.
По суті, Харві та її колеги взяли структуру, яка «дуже схожа на те, що ми робимо для літаків», і адаптували її для птахів, сказав Еймі Вісса, доцент кафедри механічної та аерокосмічної інженерії Прінстонського університету, який написав коментар до їхньої роботи для природа.
Гнучкий політ
Коли пернаті динозаври-тераподи піднялися в повітря приблизно 160 мільйонів років тому, вони були обмеженими польотами, які пурхали лише на короткі відстані або крихітними сплесками. Але за кількома винятками понад 10,000 XNUMX видів птахів, що походять від цих динозаврів, еволюціонували в надзвичайні літальні апарати, здатні до граціозного планування та акробатичних маневрів. Така маневреність вимагає контрольованого використання нестабільності, а потім виходу з неї.
Оскільки сучасні птахи дуже маневрені, біологи припустили, що вони еволюціонували, щоб стати все більш нестабільними. «Вважалося, що птахи, як і винищувачі, просто нахиляються до цієї нестабільності, щоб виконувати такі дуже швидкі маневри», — сказав Харві. «І тому птахи літають таким чином, який ми ще не можемо відтворити».
Але дослідники виявили, що лише один із досліджуваних видів, фазан, був абсолютно нестабільним. Чотири види були абсолютно стабільними, а 17 видів, включаючи стрижів і голубів, могли перемикатися між стабільним і нестабільним польотом, змінюючи свої крила. «Насправді ми бачимо, що ці птахи здатні змінювати стиль, більш схожий на винищувач, і стиль, більш схожий на пасажирський», – сказав Харві.
Подальше математичне моделювання, проведене її командою, показало, що еволюція не посилювала нестабільність птахів, а зберігала їхній потенціал як стабільності, так і нестабільності. У всіх досліджених птахів команда Харві знайшла докази того, що тиск селекції одночасно підтримував статичні межі, які дозволяли обидва. В результаті птахи мають здатність переходити зі стабільного режиму на нестійкий і назад, змінюючи при необхідності свої властивості польоту.
Сучасні літаки не можуть цього зробити не лише тому, що їхні аеродинамічні та інерційні характеристики є більш фіксованими, а тому, що їм потрібні два дуже різні алгоритми керування. Нестабільний політ означає постійне внесення поправок, щоб уникнути падіння. Птахи, мабуть, повинні зробити щось подібне, і «в цьому повинен бути певний рівень пізнання», сказав Рід Боумен, поведінковий еколог і директор програми екології птахів на біологічній станції Арчболд у Флориді.
«Люди намагалися зрозуміти походження птахів стільки часу, скільки вивчали еволюцію — і головною перешкодою була складність польоту та наша нездатність його деконструювати», — сказав Метью Каррано, куратор динозаврів у відділі палеобіології Смітсонівського інституту.
Найбільше його дивує не те, що птахи мають здатність перемикатися між стабільним і нестабільним режимами польоту; це те, що деякі види, як-от фазан, здається, ні. Він задається питанням, чи ці види ніколи не розвинули його, чи вони втратили здатність у якийсь момент, так само як сучасні нелітаючі птахи походять від тих, що колись могли літати.
Створення кращих літаків
Багато з маневрів сальто, обертання та падіння, якими освоїли птахи, не є тими, які хтось хотів би випробувати в пасажирському літаку. Але безпілотні літальні апарати, також відомі як БПЛА або дрони, вільніші для різких маневрів, і їхня популярність у військових, наукових, рекреаційних та інших цілях створює для них більше можливостей.
«Це великий крок до створення більш маневрених БПЛА», — сказав Бхаттачарія, який, побачивши дослідження Харві, негайно надіслав його своїй інженерній групі. Більшість БПЛА сьогодні є літаками з фіксованим крилом, які чудово підходять для місій спостереження та сільськогосподарських цілей, оскільки вони можуть ефективно літати годинами та долати тисячі кілометрів. Однак їм не вистачає маневреності тендітних дронів-квадрокоптерів, популярних серед любителів. Дослідники в аеробус та NASA мріють про нові конструкції крилатих літальних апаратів, які могли б імітувати деякі з неймовірних маневрених талантів птахів.
Тейлор і його команда сподіваються проаналізувати, як птахи набувають здатності виконувати складні завдання, навчаючись літати. Якщо дослідники справді зможуть зрозуміти ці маневри, інженери можуть колись включити штучний інтелект у дизайн нових флаєрів, що дозволить їм імітувати біологію не лише зовнішнім виглядом, але й здатністю вивчати поведінку в польоті.
Створюючи свою нову лабораторію в Університеті Каліфорнії в Девісі, Харві все ще вирішує, де будуть її майбутні дослідження в спектрі від фундаментальних досліджень польоту птахів до проектування та виробництва дронів і літаків. Але спочатку вона працює над створенням команди студентів інженерії та біології, які так само захоплені роботою на межі двох дуже різних галузей, як і вона.
«Я не думаю, що я повністю процвітав у сфері інженерії», — сказав Харві. Коли вона почала працювати на краю біології, вона відчула, що може бути більш творчою. Тепер, на розчарування багатьох своїх колег-інженерів, вона проводить довгі години, працюючи над вдосконаленням фігур птахів. «Я витрачаю половину свого часу на малювання, — сказала вона. «Це дійсно змінило мою точку зору».
