在一个覆盖着迷彩网的长方形房间里，四只哈里斯鹰轮流在草地覆盖的栖息地之间来回飞行，同时科学家记录了它们的每一次生物力学扑动。研究人员正在参与观察鸟类飞行的历史悠久的追求——尽管在这个实验中，他们真正的兴趣是观察它们着陆。
在栖息地之间的 1,500 多次飞行中，四只鹰几乎总是选择相同的路径——不是最快或最节能的路径，而是让它们能够最安全、最容易控制的栖息路径。作为 格雷厄姆·泰勒牛津大学数学生物学教授和他的同事 最近描述 in 自然图中，鹰以 U 形弧线飞行，迅速拍动翅膀加速俯冲，然后猛然向上滑行，伸展翅膀减缓前进速度，最后抓住栖息处。
“看着他们有一种令人着迷的陌生感，”说 法国是艾伦图灵研究所的研究数据科学家和牛津大学的博士后研究员，他设计并帮助运行了这些实验。鹰通过几乎停在半空中来着陆的能力是机械鹰无法比拟的。
“进化创造了一种比我们能够设计的复杂得多的飞行装置，”说 萨米克·巴塔查亚中佛罗里达大学实验流体力学实验室助理教授。当今的飞机无法与鸟类的机动性相媲美的原因不仅仅是工程问题。尽管在整个历史上人们都对鸟类进行了细致的观察，并在几个世纪以来为列奥纳多·达·芬奇和其他人设计飞行器提供了灵感，但使鸟类具有机动性的生物力学在很大程度上仍然是一个谜。
A 标志性研究 去年三月发表于 自然然而，已经开始改变这种状况。对于她在密歇根大学的博士研究， 克里斯蒂娜·哈维 她和她的同事发现，大多数鸟类可以在飞行中改变翅膀，在像客机一样平稳飞行和像战斗机一样杂技飞行之间来回翻转。他们的工作清楚地表明，鸟类可以完全改变控制空气如何在其翅膀上移动的空气动力学特性，以及决定它们如何在空气中翻滚以完成快速机动的身体惯性特性。
这些发现确定了一些以前未知的影响鸟类特技飞行能力的重要因素，并揭示了一些使鸟类如此精通飞行的进化压力。他们还帮助重新起草未来工程师在尝试设计像鸟类一样具有机动性和适应性的飞机时可能遵循的蓝图，看似毫不费力的优雅，但利用了我们刚刚开始欣赏的惊人快速的身体和精神资源。
本科学习机械工程的哈维将她对鸟类飞行的研究描述为“量化对我来说看起来像魔法的东西”。在她职业生涯的早期，在从工程学转向生物学之前，她从未想过自己会成为那个试图揭开鸟类秘密的人。
鸟类的几何形状
“我以前甚至不喜欢鸟，”哈维说。然而，2016 年的一天，她坐在不列颠哥伦比亚大学附近公园的岩石壁架上，在短暂的徒步旅行后休息，并思考作为一名新任命的生物实验室硕士生要从事什么项目。被海鸥包围着，她想：“如果你忽略它们有多烦人的话，它们飞起来真的很酷。”
这只海鸥很快就变成了她所说的“火花”鸟，她很快就放弃了躲避它们，转而尝试更多地了解它们的飞行能力。但随着哈维深入研究文献，她意识到我们对鸟类如何飞行的了解存在重大差距。
她深受启发 一个研究2001 泰勒在牛津大学攻读博士学位时与人合着的。泰勒的论文是第一篇为鸟类和其他飞行动物如何实现稳定性奠定理论基础的论文，这种稳定性可以防止它们被推向错误的方向。
泰勒解释说，稳定性来自于固有的稳定性，即对扰动的固有抵抗力，以及控制力，即改变对扰动的反应的主动能力。好的纸飞机具有与生俱来的稳定性；控制是第五代战斗机的强项。 2001 年的研究表明，内在稳定性在鸟类飞行中的作用比人们普遍认为的要大。
读完泰勒的论文后不久，哈维将她的博士研究重点放在了建立鸟类飞行稳定性的第一个动态方程上。 “我们有飞机的所有这些方程，”她说。 “我想要它们用于鸟类飞行。”
哈维意识到，为了了解鸟类飞行的稳定性和不稳定性以及鸟类在控制它们时面临的挑战，她和她的团队需要绘制出鸟类的所有惯性特性，而以前的研究在很大程度上忽略了这一点或认为它们不重要。惯性特性与鸟类的质量及其分布方式有关，这与作用于运动中的鸟类的空气动力学特性相反。
哈维和她的团队从加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学贝蒂生物多样性博物馆收集了 36 具冷冻鸟类尸体，代表 22 个截然不同的物种。他们将尸体解剖到每根羽毛，测量长度、重量和翼展，并手动伸展和收缩翅膀，以计算出鸟类肘部和手腕的运动范围。
他们编写了一个新颖的建模程序，将不同类型的翅膀、骨骼、肌肉、皮肤和羽毛表示为数百种几何形状的组合。该软件使他们能够计算相关特征，例如重心和飞行中鸟的空气动力中心“中性点”。然后，他们确定了每只翅膀配置为各种形状的鸟的这些特性。
为了量化每只鸟的稳定性和可操作性，他们计算了一个称为静态裕度的空气动力学系数，即相对于机翼尺寸的重心和中性点之间的距离。如果一只鸟的中性点位于其重心后面，他们就认为这只鸟本质上是稳定的，这意味着如果失去平衡，飞翔的鸟会自然地返回到原来的飞行路径。如果中性点位于重心前面，那么鸟儿就会不稳定，并且会被推离它所在的位置更远——这正是鸟儿能够做出令人惊叹的动作所必须发生的情况。
当航空工程师设计飞机时，他们会设置静态裕度以实现所需的性能。但与飞机不同，鸟类可以移动翅膀并改变身体姿势，从而改变它们的静态裕度。因此，哈维和她的团队还评估了每只鸟的固有稳定性在不同翅膀配置下的变化。
事实上，哈维和她的同事采用了一个“与我们为飞机所做的非常相似”的框架，并将其应用于鸟类，说 艾米维萨普林斯顿大学机械与航空航天工程助理教授，为他们的工作撰写了评论 自然.
灵活飞行
大约160亿年前，当长有羽毛的兽脚类恐龙飞向空中时，它们的飞行能力有限，只能短距离或以微小的爆发方式扑动。但除了少数例外，从这些恐龙进化而来的一万多种鸟类都已进化成非凡的飞行机器，能够优雅地滑翔和进行杂技般的机动。这种机动性需要可控地利用不稳定因素，然后摆脱不稳定因素。
由于现代鸟类的机动性如此之高，生物学家认为它们已经进化得越来越不稳定。哈维说：“人们相信，鸟类就像战斗机一样，只是依靠这些不稳定性来执行这些非常快速的机动。” “这就是为什么鸟类以这种我们还无法完全复制的方式飞行。”
但研究人员发现，他们观察的物种中只有一种，即雉鸡，是完全不稳定的。 17 个物种是完全稳定的，XNUMX 个物种（包括雨燕和鸽子）可以通过改变翅膀在稳定和不稳定的飞行之间切换。哈维说：“确实，我们看到这些鸟能够在更像战斗机的风格和更像客机的风格之间转换。”
她的团队进一步的数学模型表明，进化并没有增强鸟类的不稳定性，而是保留了它们稳定性和不稳定性的潜力。在所有研究的鸟类中，哈维的团队发现了证据，表明选择压力同时维持了静态边缘，从而实现了两者。因此，鸟类能够在稳定模式和不稳定模式之间来回切换，根据需要改变它们的飞行特性。
现代飞机无法做到这一点，不仅因为它们的空气动力学和惯性特征更加固定，而且因为它们需要两种截然不同的控制算法。不稳定的飞行意味着不断进行修正以避免坠毁。鸟类必须做类似的事情，并且“其中必须涉及一定程度的认知，”说 里德·鲍曼是一位行为生态学家，也是佛罗里达州阿奇博尔德生物站鸟类生态项目的主任。
“自从人们研究进化以来，人们就一直在试图了解鸟类的起源，而一个主要障碍就是飞行的复杂性以及我们无法解构它，”说 马修·卡拉诺史密森学会古生物学部恐龙馆馆长。
最令他惊讶的并不是鸟类具有在稳定和不稳定的飞行模式之间转换的能力；而是鸟类具有在稳定和不稳定的飞行模式之间转换的能力。但有些物种，比如雉鸡，似乎不具备这种能力。他想知道这些物种是否从未进化出这种能力，或者是否在某个时候失去了这种能力，就像现代不会飞的鸟类是那些曾经会飞的鸟类的后代一样。
建造更好的飞机
鸟类所掌握的许多翻跟头、旋转和垂直下降动作并不是任何人都想在客机上体验的。但无人驾驶飞行器（也称为 UAV 或无人机）可以更自由地进行剧烈机动，并且它们在军事、科学、娱乐和其他用途中的日益普及为它们创造了更多这样做的机会。
“这是朝着生产更具机动性的无人机迈出的一大步，”巴塔查里亚说。他在看到哈维的研究后，立即将其发送给他的工程团队。如今，大多数无人机都是固定翼飞机，非常适合执行监视任务和农业用途，因为它们可以高效飞行数小时并飞行数千公里。然而，它们缺乏深受爱好者欢迎的脆弱四轴飞行器无人机的机动性。研究人员在 空中客车公司 和 美国航空航天局 正在构思新颖的有翼飞机设计，可以模仿鸟类的一些令人难以置信的机动天赋。
泰勒和他的团队希望分析鸟类如何在学习飞行的同时获得执行复杂任务的能力。如果研究人员能够真正理解这些动作，工程师有一天可能会将人工智能纳入新飞行器的设计中，使它们不仅在外观上模仿生物学，而且在学习飞行行为的能力上也能模仿生物学。
当哈维在加州大学戴维斯分校建立新实验室时，她仍在决定她未来的研究方向，从鸟类飞行的基础研究到设计和制造无人机和飞机。但首先，她正在努力建立一支由工程和生物学学生组成的团队，他们和她一样热衷于在两个截然不同的领域的边界工作。
“我不认为我完全在工程学领域崭露头角，”哈维说。当她开始在生物学边缘工作时，她觉得自己可以更有创造力。现在，令她的许多工程同事感到沮丧的是，她花了很长时间来完善鸟类模型。 “我一半的时间都花在画画上，”她说。 “这确实改变了我的看法。”
