Это открытие может привести к разработке более маневренных летательных аппаратов, в частности беспилотных летательных аппаратов без экипажа (БПЛА).

Открытие стало неожиданностью, потому что считалось, что птицы неуклонно эволюционировали в сторону менее стабильного полета, от длинных, неуклюжих хвостов динозавров у самых ранних птиц до ловкости современных птиц с коротким хвостом. И все же, с точки зрения управляемости полетом, это не такой уж шок.

"Меня всегда поражало, как птицы могут скользить, казалось бы, без усилий в течение нескольких часов только для того, чтобы - за долю секунды - выполнить какой-нибудь уникальный трюк, например, пикирование или другой внезапный маневр, выглядящий неустойчивым", - сказала Кристина Харви, аспирантка аэрокосмической инженерии в U-M и ведущий автор. из исследования в природе.

Нестабильный полет требует постоянной бдительности, чтобы избежать аварии - алгоритм управления, регулирующий закрылки на реактивном истребителе, или мозг, сигнализирующий мышцам о корректирующих изменениях. Напротив, стабильное скольжение может в некоторой степени пассивно компенсировать удары порывами ветра.

"Мы провели эволюционный анализ под руководством Викрама Балиги, который довольно убедительно показал, что существовала сильная эволюционная сила, побуждающая птиц не к стабильности или маневренности, а к способности переходить между ними", - сказал Дуг Альтшулер, профессор зоологии в UBC, который курировал биологические аспекты проекта.

Харви, которая училась в магистратуре UBC под руководством Альтшулера, намеревалась помочь с изучением птиц. Однако, когда пандемия сделала поездки нецелесообразными, ее бывшие коллеги по лаборатории собрали для нее данные. Балига, аспирант-исследователь, и Жасмин Вонг, аспирантка зоологии, изучали 22 вида птиц в Музее биоразнообразия Бити в UBC. Музей собирает птиц, которые умирают в зоопарках и заповедниках дикой природы, и замораживает их для будущих исследований.

"Мы отслеживали движение локтевых и лучезапястных суставов, а также всю форму крыла во время сгибания и разгибания крыла и проводили вскрытие музейных образцов", - сказал Вонг.

Она и Балига тщательно измерили длину, ширину и массу каждой основной части тела птицы, включая голову, туловище, крылья и хвост. Затем Харви разработал компьютерную модель, которая считала эту информацию и вычисляла, где находится центр тяжести каждой птицы - своего рода точка равновесия. Опираясь на предыдущую работу, Харви оценил нейтральную точку каждой формы крыла - место на птице, где, если бы центр тяжести был размещен там, на положение птицы не повлияли бы возмущения, такие как порывы ветра.

Ключ к стабильности заключается в том, где эти две точки - центр тяжести и нейтральная точка - находятся по отношению друг к другу. Когда нейтральная точка находится перед центром тяжести, парящая птица устойчива, а это означает, что если порыв ветра заставит ее наклониться вверх, птица пассивно вернется в исходное положение, не меняя позы. Однако, если нейтральная точка находится позади центра масс, птица будет продолжать наклоняться все выше и выше, если она не предпримет корректирующих действий.

?? "Объединив все эти различные фрагменты информации для каждого отдельного вида, мы создали модели, которые дали нам понимание того, как вид может изменять свою собственную стабильность или нестабильность во время полета", - сказал Балига.

Оказывается, большинство современных видов птиц могут манипулировать нейтральной точкой, чтобы она находилась впереди или позади центра тяжести, изменяя форму своих крыльев, что позволяет им изменять свою устойчивость по требованию.

"Исследователи, работающие над трансформацией самолетов, уже давно ссылаются на полет птиц в качестве мотивации. Уникальный опыт Кристины и последующие исследования помогли сформулировать такие утверждения в аналитических терминах, превратив птичий полет в точную науку и то, как он связан с трансформирующимися беспилотниками", - сказал Дэниел Инман, профессор аэрокосмической инженерии колледжа Харма Бунинга в U-M, который руководил инженерной частью проекта.

Харви упомянул об одном таком исследовании, в котором беспилотник, вдохновленный птицами, мог переходить от стабильного к нестабильному скольжению, взмахивая крыльями назад. Однако эти исследователи обнаружили, что управлять самолетом во время этого перехода было непросто.

"Мой следующий шаг - привлечь эксперта по контролю для нового сотрудничества", - сказал Харви. "Если мы хотим, чтобы наши беспилотники отправились туда, сколько это будет стоить работы? Это осуществимо?"

Исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США, Национальным научным фондом, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, Zonta International и FXB International через U-M.