Trong một căn phòng hình chữ nhật phủ lưới ngụy trang, bốn con diều hâu của Harris thay phiên nhau bay tới bay lui giữa những chiếc sào phủ đầy cỏ trong khi các nhà khoa học ghi lại từng nhịp rung cơ học của chúng. Các nhà nghiên cứu đã tham gia vào việc theo đuổi lâu nay là xem chim bay - mặc dù trong thí nghiệm này, mối quan tâm thực sự của họ là xem chúng hạ cánh.
Trong hơn 1,500 chuyến bay giữa các sào đậu, bốn con diều hâu gần như luôn đi theo cùng một con đường — không phải nhanh nhất hay tiết kiệm năng lượng nhất, mà là con đường cho phép chúng đậu an toàn nhất và dễ kiểm soát nhất. BẰNG Graham Taylor, giáo sư sinh học toán học tại Đại học Oxford, và các đồng nghiệp của ông được mô tả gần đây in Thiên nhiên, diều hâu bay theo hình vòng cung hình chữ U, đập cánh nhanh chóng để tăng tốc bổ nhào, rồi lượn mạnh lên trên, dang rộng cánh để giảm tốc độ trước khi ngoạm vào con cá rô.
“Xem họ là người ngoài hành tinh hấp dẫn,” nói Lydia Pháp, một nhà khoa học dữ liệu nghiên cứu tại Viện Alan Turing và một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Oxford, người đã thiết kế và giúp điều hành các thí nghiệm. Khả năng hạ cánh của diều hâu bằng cách gần như dừng lại giữa không trung là không thể so sánh với các đối tác máy móc của chúng.
“Sự tiến hóa đã tạo ra một thiết bị bay phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta từng chế tạo được,” cho biết Samik Bhattacharya, một trợ lý giáo sư trong phòng thí nghiệm cơ học chất lỏng thực nghiệm tại Đại học Trung tâm Florida. Lý do tại sao máy bay ngày nay không thể sánh được với khả năng cơ động của gia cầm không chỉ đơn giản là vấn đề kỹ thuật. Mặc dù các loài chim đã được quan sát một cách tỉ mỉ trong suốt lịch sử và đã truyền cảm hứng cho các thiết kế máy bay của Leonardo da Vinci và những người khác trong nhiều thế kỷ, cơ chế sinh học giúp cho khả năng di chuyển của loài chim phần lớn vẫn còn là một bí ẩn.
A nghiên cứu bước ngoặt được xuất bản vào tháng XNUMX năm ngoái tại Thiên nhiên, tuy nhiên, đã bắt đầu thay đổi điều đó. Đối với nghiên cứu tiến sĩ của cô tại Đại học Michigan, Christina Harvey và các đồng nghiệp của cô đã phát hiện ra rằng hầu hết các loài chim có thể biến đổi đôi cánh giữa chuyến bay để lật qua lật lại giữa việc bay nhẹ nhàng như máy bay chở khách và bay nhào lộn như máy bay chiến đấu. Công trình của họ cho thấy rõ ràng rằng loài chim có thể thay đổi hoàn toàn cả đặc điểm khí động học chi phối cách không khí di chuyển qua cánh của chúng và đặc điểm quán tính của cơ thể chúng quyết định cách chúng nhào lộn trong không khí để hoàn thành các thao tác nhanh.
Những khám phá này đã xác định các yếu tố lớn, chưa từng được biết đến góp phần vào năng lực nhào lộn trên không của chim và tiết lộ một số áp lực tiến hóa khiến chim bay rất thành thạo. Họ cũng đang giúp phác thảo lại các bản thiết kế mà các kỹ sư tương lai có thể tuân theo khi cố gắng thiết kế máy bay có khả năng cơ động và thích nghi như loài chim, dường như không cần nỗ lực nhưng dựa trên các nguồn lực thể chất và tinh thần nhanh chóng mà chúng ta mới bắt đầu đánh giá cao.
Harvey, người đã học ngành kỹ thuật cơ khí khi còn là sinh viên đại học, mô tả nghiên cứu của cô ấy về chuyến bay của loài chim là “định lượng một thứ gì đó, đối với tôi, trông giống như phép thuật.” Khi mới vào nghề, trước khi chuyển đổi từ kỹ thuật sang sinh học, cô chưa bao giờ nghĩ mình sẽ là người cố gắng khám phá bí mật của loài chim.
Hình học của loài chim
“Tôi thậm chí còn không thích chim,” Harvey nói. Tuy nhiên, vào một ngày năm 2016, cô ấy ngồi trên một mỏm đá trong công viên gần Đại học British Columbia, nghỉ ngơi sau một chuyến đi bộ đường dài ngắn và suy nghĩ về dự án sẽ theo đuổi với tư cách là một sinh viên thạc sĩ mới được bổ nhiệm trong phòng thí nghiệm sinh học. Được bao quanh bởi những con mòng biển, cô ấy nghĩ: “Chúng bay rất tuyệt, nếu bạn bỏ qua việc chúng phiền phức như thế nào.”
Mòng biển nhanh chóng trở thành thứ mà cô ấy gọi là loài chim “đốt lửa” của mình, và cô ấy nhanh chóng từ bỏ việc tránh né chúng để cố gắng hiểu thêm về sức mạnh bay của chúng. Nhưng khi Harvey tìm hiểu sâu hơn về tài liệu, cô ấy nhận ra rằng có những lỗ hổng lớn trong kiến thức của chúng ta về cách chim bay.
Cô đã được truyền cảm hứng sâu sắc bởi một nghiên cứu 2001 mà Taylor là đồng tác giả khi ông đang theo học tiến sĩ tại Oxford. Bài báo của Taylor là bài báo đầu tiên đặt ra nền tảng lý thuyết về cách chim và các động vật bay khác đạt được sự ổn định, đặc điểm giúp chúng không bị đẩy đi sai hướng.
Taylor giải thích, tính ổn định xuất phát từ sự kết hợp giữa tính ổn định vốn có, hay khả năng chống lại nhiễu loạn bẩm sinh và khả năng kiểm soát, khả năng chủ động thay đổi phản ứng với nhiễu loạn. Sự ổn định vốn có là những gì một chiếc máy bay giấy tốt có; điều khiển là sở trường của máy bay chiến đấu thế hệ thứ năm. Nghiên cứu năm 2001 cho thấy sự ổn định vốn có đóng một vai trò quan trọng hơn trong đường bay của chim hơn là người ta thường tin.
Ngay sau khi đọc bài báo của Taylor, Harvey tập trung nghiên cứu tiến sĩ của mình vào việc phát triển các phương trình động đầu tiên về sự ổn định trong chuyến bay của loài chim. “Chúng tôi có tất cả những phương trình này cho máy bay,” cô nói. “Tôi muốn chúng cho chuyến bay của chim.”
Để hiểu được tính ổn định và không ổn định của đường bay của chim cũng như những thách thức mà chim phải đối mặt trong việc kiểm soát chúng, Harvey nhận ra rằng cô và nhóm của mình cần vạch ra tất cả các đặc tính quán tính của chim, điều mà các nghiên cứu trước đây phần lớn bỏ qua hoặc coi là không quan trọng. Tính chất quán tính liên quan đến khối lượng của con chim và cách nó phân bố, trái ngược với tính chất khí động học tác động lên con chim khi chuyển động.
Harvey và nhóm của cô đã thu thập 36 xác chim đông lạnh — đại diện cho 22 loài rất khác nhau — từ Bảo tàng Đa dạng Sinh học Beaty tại Đại học British Columbia ở Vancouver, Canada. Họ mổ xẻ xác chết cho đến từng chiếc lông riêng lẻ, đo chiều dài, trọng lượng và sải cánh, đồng thời kéo dài và thu nhỏ cánh theo cách thủ công để tìm ra phạm vi chuyển động của khuỷu tay và cổ tay của những con chim.
Họ đã viết một chương trình mô hình mới đại diện cho các loại cánh, xương, cơ, da và lông khác nhau dưới dạng tổ hợp của hàng trăm hình dạng hình học. Phần mềm này cho phép họ tính toán các đặc điểm liên quan như trọng tâm và “điểm trung lập” là tâm khí động học của con chim khi bay. Sau đó, họ xác định các thuộc tính đó cho từng con chim với đôi cánh được cấu hình theo nhiều hình dạng khác nhau.
Để định lượng độ ổn định và khả năng cơ động của mỗi con chim, họ đã tính toán một yếu tố khí động học gọi là biên độ tĩnh, khoảng cách giữa trọng tâm và điểm trung lập của nó so với kích thước của cánh. Nếu điểm trung lập của một con chim nằm sau trọng tâm của nó, thì họ coi con chim vốn đã ổn định, nghĩa là con chim đang bay sẽ tự nhiên quay trở lại đường bay ban đầu nếu bị đẩy ra khỏi trạng thái cân bằng. Nếu điểm trung lập ở phía trước trọng tâm, thì con chim không ổn định và sẽ bị đẩy xa hơn khỏi vị trí của nó - đó chính xác là điều phải xảy ra để một con chim có thể thực hiện một động tác ngoạn mục.
Khi các kỹ sư hàng không thiết kế máy bay, họ thiết lập các lề tĩnh để đạt được hiệu suất mong muốn. Nhưng chim, không giống như máy bay, có thể di chuyển cánh và thay đổi tư thế cơ thể, do đó làm thay đổi biên độ tĩnh của chúng. Do đó, Harvey và nhóm của cô cũng đánh giá sự ổn định vốn có của mỗi con chim thay đổi như thế nào trong các cấu hình cánh khác nhau.
Trên thực tế, Harvey và các đồng nghiệp của cô ấy đã lấy một khuôn khổ “rất giống với những gì chúng tôi làm cho máy bay” và điều chỉnh nó cho các loài chim, cho biết Aimy Wissa, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Princeton, người đã viết bình luận về công việc của họ cho Thiên nhiên.
Chuyến bay linh hoạt
Khi những con khủng long trị liệu lông vũ phóng mình lên không trung khoảng 160 triệu năm trước, chúng là những loài bay hạn chế, chỉ bay trong khoảng cách ngắn hoặc thành từng đợt nhỏ. Nhưng chỉ với một vài ngoại lệ, hơn 10,000 loài chim có nguồn gốc từ những con khủng long đó đã tiến hóa thành những cỗ máy bay phi thường, có khả năng lượn lượn và nhào lộn duyên dáng. Loại khả năng cơ động đó đòi hỏi phải tận dụng lợi thế có kiểm soát của sự bất ổn - và sau đó rút ra khỏi nó.
Bởi vì các loài chim hiện đại rất linh hoạt, các nhà sinh vật học cho rằng chúng đã tiến hóa ngày càng không ổn định. Harvey cho biết: “Người ta tin rằng các loài chim, giống như máy bay chiến đấu, chỉ dựa vào những nơi không ổn định này để thực hiện những thao tác rất nhanh này. “Và đó là lý do tại sao chim bay theo cách này mà chúng ta vẫn chưa thể tái tạo được.”
Nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ có một loài mà họ xem xét, gà lôi, là hoàn toàn không ổn định. Bốn loài hoàn toàn ổn định và 17 loài - bao gồm cả chim yến và chim bồ câu - có thể chuyển đổi giữa chuyến bay ổn định và không ổn định bằng cách biến đổi đôi cánh của chúng. “Thực sự, những gì chúng ta đang thấy là những con chim này có thể chuyển đổi giữa kiểu giống máy bay chiến đấu hơn và kiểu giống máy bay chở khách hơn,” Harvey nói.
Mô hình toán học sâu hơn do nhóm của cô ấy thực hiện gợi ý rằng thay vì tăng cường sự bất ổn của loài chim, quá trình tiến hóa đã bảo tồn tiềm năng của chúng về cả sự ổn định và bất ổn. Ở tất cả các loài chim được nghiên cứu, nhóm của Harvey đã tìm thấy bằng chứng cho thấy áp lực chọn lọc đồng thời duy trì biên độ tĩnh cho phép cả hai. Do đó, chim có khả năng chuyển từ chế độ ổn định sang chế độ không ổn định và ngược lại, thay đổi đặc tính chuyến bay của chúng khi cần thiết.
Máy bay hiện đại không thể làm điều đó, không chỉ vì các tính năng khí động học và quán tính của chúng cố định hơn mà còn vì chúng cần hai thuật toán điều khiển rất khác nhau. Chuyến bay không ổn định có nghĩa là liên tục điều chỉnh để tránh bị rơi. Những con chim phải làm điều gì đó tương tự và “phải có một mức độ nhận thức nào đó liên quan đến việc đó,” nói cây sậy, một nhà sinh thái học hành vi và giám đốc chương trình sinh thái gia cầm tại Trạm sinh học Archbold ở Florida.
“Mọi người đã cố gắng tìm hiểu nguồn gốc của các loài chim chừng nào con người còn nghiên cứu về sự tiến hóa — và một trở ngại lớn là sự phức tạp của chuyến bay và chúng ta không có khả năng giải cấu trúc nó,” cho biết Matthew Carrano, người phụ trách Khủng long trong khoa cổ sinh vật học của Viện Smithsonian.
Điều làm anh ngạc nhiên nhất không phải là loài chim có những khả năng chuyển đổi giữa các phương thức bay ổn định và không ổn định; đó là một số loài, như gà lôi, dường như không. Anh ấy tự hỏi liệu những loài đó chưa bao giờ tiến hóa nó hay liệu chúng có mất khả năng vào một thời điểm nào đó, giống như những loài chim không biết bay hiện đại là hậu duệ của những loài đã từng biết bay.
Chế tạo máy bay tốt hơn
Nhiều thao tác lộn nhào, xoay tròn và lao thẳng xuống mà các loài chim đã thành thạo không phải là những thao tác mà bất kỳ ai cũng muốn trải nghiệm trên máy bay chở khách. Tuy nhiên, các phương tiện bay không người lái, còn được gọi là UAV hoặc máy bay không người lái, được tự do thực hiện các thao tác quyết liệt hơn và sự phổ biến ngày càng tăng của chúng đối với quân sự, khoa học, giải trí và các mục đích sử dụng khác đang tạo ra nhiều cơ hội hơn cho chúng để làm điều đó.
“Đây là một bước tiến lớn hướng tới việc tạo ra các UAV cơ động hơn,” Bhattacharya cho biết, người sau khi xem nghiên cứu của Harvey đã ngay lập tức gửi nó cho nhóm kỹ sư của mình. Hầu hết các UAV ngày nay là máy bay cánh cố định, rất phù hợp cho các nhiệm vụ giám sát và mục đích nông nghiệp vì chúng có thể bay hiệu quả trong nhiều giờ và bay qua hàng nghìn km. Tuy nhiên, chúng thiếu khả năng cơ động của những chiếc máy bay không người lái quadcopters mỏng manh phổ biến đối với những người có sở thích. Các nhà nghiên cứu tại Airbus và NASA đang mơ về những thiết kế mới lạ cho những chiếc máy bay có cánh có thể bắt chước một số tài năng điều khiển đáng kinh ngạc của loài chim.
Taylor và nhóm của ông đang hy vọng phân tích cách chim có được khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong khi học bay. Nếu các nhà nghiên cứu thực sự có thể hiểu được những thao tác này, một ngày nào đó các kỹ sư có thể đưa AI vào thiết kế máy bay mới, cho phép chúng bắt chước sinh học không chỉ về ngoại hình mà còn ở khả năng học các hành vi bay.
Khi thành lập phòng thí nghiệm mới của mình tại Đại học California, Davis, Harvey vẫn đang quyết định xem nghiên cứu trong tương lai của cô sẽ nằm ở đâu trên phạm vi từ nghiên cứu cơ bản về chuyến bay của chim đến thiết kế và sản xuất máy bay không người lái và máy bay. Nhưng trước tiên, cô ấy đang làm việc để xây dựng một nhóm sinh viên kỹ thuật và sinh học, những người cũng đam mê làm việc ở ranh giới của hai lĩnh vực rất khác nhau như cô ấy.
Harvey nói: “Tôi không nghĩ mình phát triển hoàn toàn trong lĩnh vực kỹ thuật. Khi bắt đầu làm việc trong lĩnh vực sinh học, cô cảm thấy mình có thể sáng tạo hơn. Giờ đây, trước sự thất vọng của nhiều đồng nghiệp kỹ thuật của mình, cô ấy đã dành nhiều giờ để hoàn thiện các hình con chim. “Tôi dành một nửa thời gian để vẽ,” cô nói. “Nó thực sự đã thay đổi quan điểm của tôi.”
