Совместная работа инженеров и биологов помогла понять, как птицы развили свою невероятную маневренность. Сохранить статью Прочитать позже
Исследователи наконец начинают понимать, как биомеханика крыла птицы позволяет ей летать с необычайной маневренностью.
Введение
В прямоугольной комнате, затянутой камуфляжной сеткой, четыре ястреба Харриса по очереди перелетали между насестами, покрытыми травой, а учёные регистрировали каждое их биомеханическое движение. Исследователи занимались традиционным для того времени наблюдением за полётом птиц, хотя в этом эксперименте их истинный интерес заключался в наблюдении за их приземлением.
В более чем 1500 перелётах между насестами четыре ястреба почти всегда выбирали один и тот же маршрут — не самый быстрый или энергосберегающий, а тот, который позволял им занять наиболее безопасное и контролируемое положение. Как недавно описали Грэм Тейлор, профессор математической биологии Оксфордского университета, и его коллеги в журнале Nature, ястребы летели по U-образной дуге, быстро взмахивая крыльями для ускорения в пикировании, а затем резко взмывали вверх в планирующем планировании, вытягивая крылья, чтобы замедлить движение, прежде чем схватиться за насест.
«Наблюдать за ними — это нечто завораживающе и неземное», — сказала Лидия Франс, специалист по анализу данных в Институте Алана Тьюринга и научный сотрудник Оксфордского университета, которая разработала и помогла провести эксперименты. Способность ястребов приземляться, практически останавливаясь в воздухе, не имеет себе равных среди их механических аналогов.
«Эволюция создала гораздо более сложное летательное устройство, чем мы когда-либо могли спроектировать», — сказал Самик Бхаттачарья, доцент лаборатории экспериментальной гидромеханики в Университете Центральной Флориды. Причины, по которым современные самолёты не могут сравниться с манёвренностью птиц, кроются не только в инженерных решениях. Хотя птицы на протяжении всей истории были объектом тщательного наблюдения и вдохновляли Леонардо да Винчи и других учёных на создание летательных аппаратов на протяжении веков, биомеханика, обеспечивающая манёвренность птиц, во многом остаётся загадкой.
Ястреб Харриса готовится сесть на руку исследователя Лидии Франс во время экспериментов в Оксфордском университете.
Однако эпохальное исследование, опубликованное в журнале Nature в марте прошлого года, начало менять ситуацию. В своей докторской диссертации в Мичиганском университете Кристина Харви и её коллеги обнаружили, что большинство птиц могут изменять положение крыльев в полёте, переходя от плавного полёта, подобному пассажирскому самолёту, к акробатическому полёту, подобному полёту истребителя. Их работа ясно показывает, что птицы могут полностью изменять как аэродинамические характеристики, определяющие движение воздуха над их крыльями, так и инерционные характеристики своего тела, определяющие, как они кувыркаются в воздухе для выполнения быстрых манёвров.
Эти открытия выявили важные, ранее неизвестные факторы, способствующие высшему пилотажу птиц, и выявили некоторые эволюционные факторы, которые сделали птиц столь искусными в полёте. Они также помогают пересмотреть принципы, которым могут следовать будущие инженеры, пытаясь создать летательные аппараты, столь же манёвренные и адаптируемые, как птицы, демонстрирующие, казалось бы, лёгкую грацию, но требующие колоссальной скорости физических и умственных ресурсов, которые мы только начинаем осознавать.
Харви, изучавшая машиностроение в бакалавриате, описывает свои исследования полёта птиц как «количественную оценку того, что, на мой взгляд, похоже на магию». В начале своей карьеры, до перехода от инженерии к биологии, она и представить себе не могла, что будет пытаться разгадать секреты птиц.
Геометрия птиц
«Раньше я даже не любила птиц», — сказала Харви. Но однажды в 2016 году она сидела на каменистом выступе в парке недалеко от Университета Британской Колумбии, отдыхая после короткой прогулки и размышляя о том, какой проект ей заняться, будучи недавно принятой на магистратуру в биологической лаборатории. Окружённая чайками, она подумала: «Они действительно классно летают, если не обращать внимания на их назойливость».
Чайка быстро стала для неё, как она называет, «птицей-искрой», и вскоре она перестала их избегать, чтобы лучше понять их способность летать. Но по мере того, как Харви углублялась в литературу, она осознала, что в наших знаниях о том, как летают птицы, существуют серьёзные пробелы.
Её глубоко вдохновило исследование 2001 года, соавтором которого был Тейлор, работая над докторской диссертацией в Оксфорде. В этой работе Тейлор впервые изложил теоретическую основу того, как птицы и другие летающие животные достигают устойчивости — качества, которое не позволяет им отклоняться в неправильном направлении.
Устойчивость, объяснил Тейлор, достигается сочетанием внутренней устойчивости, или врождённой устойчивости к возмущениям, и контроля – активной способности изменять реакцию на возмущения. Врожденная устойчивость – это то, чем обладает хороший бумажный самолётик; контроль – сильная сторона истребителя пятого поколения. Исследование 2001 года показало, что внутренняя устойчивость играет большую роль в полёте птиц, чем принято считать.
Вскоре после прочтения статьи Тейлора Харви сосредоточила свою докторскую работу на разработке первых динамических уравнений устойчивости полёта птиц. «У нас есть все эти уравнения для самолётов, — сказала она. — Мне нужны были они для полёта птиц».
Харви поняла, что для понимания стабильности и нестабильности полёта птиц и трудностей, с которыми сталкиваются птицы при управлении полётом, ей и её команде необходимо было описать все инерционные свойства птиц, которые в предыдущих исследованиях в значительной степени игнорировались или считались несущественными. Инерционные свойства связаны с массой птицы и её распределением, в отличие от аэродинамических свойств, которые действуют на птицу в движении.
Скопы демонстрируют свою манёвренность на разных этапах пикирования на добычу. Высоко в воздухе скопа может ненадолго зависнуть над замеченной рыбой (вверху слева). Она скользит вниз (вверху справа), а затем пикирует более круто, выпустив когти (внизу слева). Схватив рыбу, она резко взмахивает крыльями, чтобы взлететь (внизу справа). Крылья меняют форму, регулируя аэродинамические свойства по мере необходимости.
Харви и её команда собрали 36 замороженных трупов птиц, представляющих 22 совершенно разных вида, в Музее биоразнообразия Бити при Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Канада. Они препарировали трупы вплоть до каждого пера, измерили длину, вес и размах крыльев, а также вручную расправляли и сжимали крылья, чтобы определить диапазон движения локтей и запястий птиц.
Они разработали новую программу моделирования, которая представляла различные типы крыльев, костей, мышц, кожи и перьев как комбинации сотен геометрических фигур. Программа позволила им рассчитать важные характеристики, такие как центр тяжести и «нейтральную точку», которая является аэродинамическим центром птицы в полёте. Затем они определили эти характеристики для каждой птицы с крыльями различной формы.
Чтобы количественно оценить устойчивость и манёвренность каждой птицы, они рассчитали аэродинамический фактор, называемый статическим запасом, – расстояние между её центром тяжести и нейтральной точкой относительно размеров крыла. Если нейтральная точка птицы находилась позади её центра тяжести, они считали птицу изначально устойчивой, то есть летящая птица естественным образом вернётся к своей первоначальной траектории полёта, если потеряет равновесие. Если нейтральная точка находилась перед центром тяжести, птица была неустойчива и её отбросило бы дальше от текущего положения – именно это и должно произойти, чтобы птица смогла совершить захватывающий дух манёвр.
При проектировании самолётов инженеры-авиаконструкторы устанавливают статические запасы для достижения желаемых характеристик. Но птицы, в отличие от самолётов, могут двигать крыльями и менять положение тела, тем самым изменяя свои статические запасы. Поэтому Харви и её команда также оценили, как изменялась внутренняя устойчивость каждой птицы при различных конфигурациях крыла.
По сути, Харви и ее коллеги взяли структуру, «очень похожую на ту, что мы делаем для самолетов», и адаптировали ее для птиц, говорит Эйми Висса, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Принстонском университете, написавшая комментарий к их работе для журнала Nature.
Гибкий полет
Когда пернатые динозавры-тераподы поднялись в воздух примерно 160 миллионов лет назад, их способности к полёту были ограничены, они порхали лишь на короткие расстояния или короткими рывками. Но, за редкими исключениями, более 10 000 видов птиц, произошедших от этих динозавров, превратились в удивительные летательные аппараты, способные к грациозному планированию и акробатическим манёврам. Такая манёвренность требует контролируемого использования нестабильности и последующего выхода из неё.
Поскольку современные птицы настолько маневренны, биологи предположили, что они эволюционировали, становясь всё более неустойчивыми. «Считалось, что птицы, подобно истребителям, просто опираются на эти неустойчивые объекты, чтобы выполнять очень быстрые манёвры», — сказал Харви. «Именно поэтому птицы летают таким образом, который мы пока не можем воспроизвести».
Но исследователи обнаружили, что только один из изученных ими видов, фазан, был полностью нестабилен. Четыре вида были полностью стабильны, а 17 видов, включая стрижей и голубей, могли переключаться между стабильным и нестабильным полётом, изменяя форму крыльев. «На самом деле, мы наблюдаем, как эти птицы способны переключаться между стилем полёта, более похожим на полёт истребителя, и стилем полёта, более похожим на полёт пассажирского самолёта», — сказал Харви.
Дальнейшее математическое моделирование, проведённое её группой, показало, что эволюция не усиливала нестабильность птиц, а, напротив, сохраняла их потенциал как к стабильности, так и к нестабильности. У всех исследованных птиц команда Харви обнаружила доказательства того, что давление отбора одновременно поддерживало статичные границы, обеспечивающие оба варианта. В результате птицы способны переходить из стабильного состояния в нестабильное и обратно, изменяя свои лётные характеристики по мере необходимости.
Современные самолёты не могут этого сделать не только потому, что их аэродинамические и инерционные характеристики более фиксированы, но и потому, что им потребовались бы два совершенно разных алгоритма управления. Нестабильный полёт подразумевает постоянную корректировку, чтобы избежать столкновения. Птицам, должно быть, приходится делать что-то подобное, и «в этом должен быть задействован какой-то уровень когнитивных способностей», — считает Рид Боуман, специалист по поведенческой экологии и руководитель программы по экологии птиц на биологической станции Арчболд во Флориде.
«Люди пытаются понять происхождение птиц с тех пор, как начали изучать эволюцию, и главным препятствием была сложность полета и наша неспособность его разобрать», — сказал Мэтью Каррано, куратор отдела динозавров в отделе палеобиологии Смитсоновского института.
Больше всего его удивляет не то, что птицы обладают способностью переключаться между устойчивым и неустойчивым режимами полёта; а то, что некоторые виды, например, фазаны, похоже, не обладают ею. Он задаётся вопросом, не развилась ли эта способность у этих видов в ходе эволюции или же они утратили её в какой-то момент, подобно тому, как современные нелетающие птицы произошли от тех, кто когда-то мог летать.
Для ранних пернатых теропод, таких как археоптерикс, устойчивость во время коротких пребываний в воздухе, вероятно, была важнее маневренности. Современные птицы предъявляют более высокие требования к аэродинамике.
Строим лучшие самолеты
Многие из освоённых птицами манёвров, таких как кувырки, вращения и падение, вряд ли кто-то захочет повторить в пассажирском самолёте. Однако беспилотные летательные аппараты, также известные как БПЛА или дроны, более свободны в выполнении резких манёвров, и их растущая популярность в военных, научных, развлекательных и других целях создаёт для них больше возможностей.
«Это большой шаг к созданию более маневренных беспилотных летательных аппаратов», — сказал Бхаттачарья, который, ознакомившись с исследованием Харви, немедленно отправил его своей инженерной группе. Большинство современных беспилотных летательных аппаратов — это летательные аппараты с фиксированным крылом, которые отлично подходят для разведывательных миссий и сельскохозяйственных целей, поскольку могут эффективно летать часами и преодолевать тысячи километров. Однако им не хватает маневренности хрупких квадрокоптеров, популярных среди любителей. Исследователи Airbus и NASA разрабатывают новые конструкции крылатых летательных аппаратов, которые могли бы имитировать некоторые невероятные маневренные способности птиц.
Тейлор и его команда надеются проанализировать, как птицы приобретают способность выполнять сложные задачи, обучаясь полёту. Если исследователям удастся по-настоящему понять эти манёвры, инженеры, возможно, когда-нибудь включат ИИ в разработку новых летающих существ, что позволит им имитировать биологию не только внешним видом, но и способностью к обучению полётному поведению.
Создавая новую лабораторию в Калифорнийском университете в Дэвисе, Харви всё ещё решает, в какой области её будущие исследования будут лежать – от фундаментальных исследований полёта птиц до проектирования и производства дронов и самолётов. Но сначала она работает над созданием команды студентов-инженеров и биологов, которые так же, как и она, увлечены работой на стыке двух совершенно разных областей.
«Не думаю, что я полностью расцвела в инженерии», — сказала Харви. Начав работать на стыке биологии, она почувствовала, что может быть более креативной. Теперь, к разочарованию многих своих коллег-инженеров, она тратит долгие часы на совершенствование фигурок птиц. «Половину своего времени я провожу за рисованием», — сказала она. «Это действительно изменило моё мировоззрение».
Источник: www.quantamagazine.org
