研究人员终于开始了解鸟类翅膀的生物力学如何使鸟类以非凡的机动性飞行。 在一个披着伪装网的长方形房间里，四只老鹰轮流在覆盖着草的栖息地之间来回飞翔，而科学家们则记录下它们的每一次生物力学飞翔。研究人员正在参与观察鸟类飞行这一历史悠久的踪迹。尽管在这个实验中，他们真正感兴趣的是观察它们的降落。 在栖息地之间超过1500次的飞行中，四只鹰几乎总是采取相同的路径。不是最快或最节能的，而是让它们最安全和最能控制的栖息地。正如牛津大学数学生物学教授格雷赫姆·泰勒和他的同事最近在《自然》杂志上描述的那样，这些鹰以U形弧线飞行，迅速拍打翅膀加速俯冲，然后急速向上俯冲滑翔，在抓到栖息地之前伸展翅膀减缓前进速度。 英国阿兰·图灵研究所的研究数据科学家和英国牛津大学的博士后研究员莉迪亚·法兰西说："观察它们的飞行踪迹是非常令人着迷的，"她设计并帮助运行这些实验。鹰通过几乎停在半空中降落的能力是它们的机械同行无法比拟的。 "美国佛罗里达大学实验流体力学实验室的助理教授萨米克·巴塔查亚说："进化创造了一种远比我们所能设计的复杂的飞行装置。今天的飞机无法与鸟类的机动性相提并论的原因不仅仅是一个工程问题。尽管历史上对鸟类进行了细致的观察，并激发了达芬奇和其他人几个世纪以来对飞行器的设计，但使鸟类的机动性成为可能的生物力学在很大程度上一直是个谜。 在牛津大学的实验中，几只鸟的飞行模式。 然而，去年3月发表在《自然》杂志上的一项具有里程碑意义的研究，已经开始改变这种状况。在美国密歇根大学的博士研究中，克里斯蒂娜·哈维和她的同事们发现，大多数鸟类可以在飞行过程中变形它们的翅膀，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，鸟类可以完全改变支配空气如何在其翅膀上移动的空气动力特性和决定它们如何在空中翻滚以完成快速机动的身体惯性特性。 这些发现确定了促成鸟类特技飞行能力的巨大的、以前未知的因素，并揭示了使鸟类如此精通飞行的一些进化压力。它们还有助于重新起草未来工程师在试图设计像鸟类那样可操纵和可适应的飞机时可能遵循的蓝图，这些飞机看似毫不费力，但却利用了我们刚刚开始了解的可怕的快速身体和精神资源。 在本科时学习机械工程的哈维将她对鸟类飞行的研究描述为 "量化一些东西，对我来说，看起来像魔术"。在她职业生涯的早期，在从工程学向生物学过渡之前，她从未想过自己会是那个试图辨别鸟类秘密的人。 鸟类的几何学 "我以前甚至不喜欢鸟，"哈维说。然而，2016年的一天，她坐在加拿大温哥华大不列颠哥伦比亚大学附近的一个公园的岩壁上，在短暂的徒步旅行后休息，思考作为生物实验室新任命的硕士生应该从事什么项目。在海鸥的包围下，她想。"它们的飞行真的很酷，如果你忽略了它们有多烦人的话"。 海鸥很快就成了她所谓的 "火花 "鸟，她很快就放弃了对它们的忽视，而试图更多地了解它们的飞行能力。但随着哈维对文献的深入挖掘，她意识到在我们对鸟类如何飞行的认识上存在着重大差距。 2001年，泰勒在英国牛津大学攻读博士学位时与人合著的一项研究给了她很大的启发。泰勒的论文首次为鸟类和其他飞行动物如何实现稳定奠定了理论基础，这种特性使它们不会被推到错误的方向上。 泰勒解释说，稳定性来自于固有的稳定性，即对扰动的先天抵抗力，以及控制，即改变对扰动反应的主动能力。固有的稳定性是一架好的纸飞机所具有的；控制是第五代战斗机的强项。2001年的研究表明，固有稳定性在鸟类飞行中发挥的作用比人们普遍认为的要大。 在读完泰勒的论文后不久，哈维将她的博士工作重点放在开发鸟类飞行稳定性的第一个动态方程上。她说："我们有所有这些用于飞机的方程式，"她说。"我想让它们用于鸟类飞行。"
鹗在对猎物进行潜水攻击的不同阶段展示了它们的机动性。在高空中，鹗可以在它发现的鱼身上短暂地盘旋（左上）。它向下滑行（右上），然后伸出爪子更陡峭地俯冲（左下）。在抓住一条鱼后，它扇动翅膀急速拉起（右下）。翅膀改变形状以根据需要调整其空气动力特性。 哈维和她的团队从加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的贝蒂生物多样性博物馆收集了36具冷冻鸟类尸体。这代表22个非常不同的物种。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、皮肤和羽毛表现为数百种几何形状的组合。该软件使他们能够计算出相关的特性，如重心和 "中性点"，即鸟类飞行时的空气动力中心。然后他们确定了每只鸟在翅膀配置成各种形状时的这些特性。 为了量化每只鸟的稳定性和可操作性，他们计算了一个被称为静态余量的空气动力学因素，即其重心和中性点之间相对于翅膀尺寸的距离。如果一只鸟的中和点在它的重心后面，他们认为这只鸟是内在稳定的，这意味着如果被推离平衡，飞鸟会自然地回到它的原始飞行轨道。如果中和点在重心的前面，那么鸟就不稳定，会被进一步推离它所处的位置。这正是鸟能够做一个令人惊叹的动作所必须发生的。 当航空工程师设计飞机时，他们设定静态余量以达到预期的性能。但鸟类与飞机不同，可以移动它们的翅膀并改变它们的身体姿势，从而改变它们的静态余量。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的机翼配置中如何变化。
这张图改编自哈维和她的同事最近发表的一篇论文，显示了他们如何将鸟类翅膀的形状分析为数百种几何形状的组合。 普林斯顿大学机械和航空航天工程助理教授艾米·维萨（Aimy Wissa）说，实际上，哈维和她的同事们采用了一个 "与我们对飞机所做的非常相似 "的框架，并将其适用于鸟类，他为《自然》杂志撰写了一篇关于他们工作的评论。 灵活的飞行 大约在1.6亿年前，当长有羽毛的脊椎动物恐龙将自己发射到空中时，它们是有限的飞行者，只在短距离内或在微小的爆发中飞翔。但是，除了少数例外，这些恐龙后裔的1万多种鸟类已经进化成非凡的飞行器，能够进行优雅的滑翔和杂技动作。这种机动性要求在控制下利用不稳定因素，然后从不稳定因素中抽身出来。 由于现代鸟类的机动性很强，生物学家假定它们已经进化得越来越不稳定了。哈维说："人们认为，鸟类就像战斗机一样，只是靠着这些不稳定性来完成这些非常快速的机动动作。这就是为什么鸟类以这种我们还不能完全复制的方式飞行。" 但是研究人员发现，他们所研究的物种中只有一种，即野鸡是完全不稳定的。四个物种是完全稳定的，17个物种：包括雨燕和鸽子，可以通过变形它们的翅膀在稳定和不稳定的飞行之间切换。"真的，我们所看到的是这些鸟能够在那种更像战斗机的风格和更像客机的风格之间转换，"哈维说。
对于像Archaeopteryx这样的早期有羽毛的翼手类动物来说，在它们短暂的空中飞行中，稳定性可能比可操作性更重要。现代鸟类的需求在空气动力学上要求更高。 她的团队进一步的数学建模表明，与其说进化增强了鸟类的不稳定性，不如说是保留了它们稳定和不稳定的潜力。在所有研究的鸟类中，哈维的团队发现有证据表明，选择压力同时保持了使两者都能实现的静态边缘。因此，鸟类有能力从稳定的模式转变为不稳定的模式，并根据需要改变其飞行特性。 现代飞机无法做到这一点，不仅是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非常不同的控制算法。不稳定的飞行意味着不断进行修正以避免坠毁。佛罗里达州阿奇博尔德生物站的行为生态学家和鸟类生态学项目主任里德·鲍曼说："鸟类一定要做类似的事情，"这其中一定有某种程度的认知。 史密森学会古生物学部恐龙馆馆长马修·卡拉诺（Matthew Carrano）说："自从人们研究进化论以来，人们就一直试图了解鸟类的起源，一个主要障碍是飞行的复杂性和我们无法解构它。" 最让他吃惊的不是鸟类拥有这些在稳定和不稳定的飞行模式之间转换的能力；而是一些物种，如野鸡似乎没有这种能力。他想知道这些物种是否从未进化出这种能力，或者它们是否在某个时刻失去了这种能力，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。 制造更好的飞机 鸟类所掌握的许多翻筋斗、旋转和坠落的动作都不是任何人想在客机上体验的。但是无人驾驶航空器，也被称为无人驾驶飞机或无人机，可以更自由地进行剧烈的机动，而且它们在军事、科学、娱乐和其他用途上的日益普及正在为它们创造更多机会。
欧洲的空中客车飞机制造公司的概念机。借鉴了很多鸟类飞行的思考。 巴塔查亚说："这是朝着产生更多可操纵的无人机迈出的一大步，"他看到哈维的研究后，立即将其发送给他的工程小组。今天的大多数无人机都是固定翼飞机，对于监视任务和农业用途来说是很好的，因为它们可以有效地飞行数小时并穿越数千公里。然而，它们缺乏在业余爱好者中流行的脆弱的四旋翼无人机的可操作性。空中客车公司和美国国家航空航天局的研究人员正在梦想有翼飞机的新颖设计，可以模仿鸟类的一些令人难以置信的操纵才能。 泰勒和他的团队希望分析鸟类在学习飞行时如何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操纵原理，工程师们有朝一日可能会在新飞行器的设计中加入人工智能，使它们不仅在外观上，而且在学习飞行行为的能力上模仿生物。 当她在美国加州大学戴维斯分校建立她的新实验室时，哈维仍在决定她未来的研究将位于从鸟类飞行的基础研究到设计和制造无人机和飞机的光谱上。但首先，她正在努力建立一个由工程和生物学学生组成的团队，这些学生和她一样对在两个非常不同的领域的边界工作充满热情。 哈维说："我不认为我是完全在工程领域内开花结果的，"当她开始在生物学的边缘工作时，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的形象。"她说："我花了一半的时间画画。这真的改变了我的观点"。 |
