研究人員終于開始了解鳥類翅膀的生物力學(xué)如何使鳥類以非凡的機(jī)動(dòng)性飛行。

在一個(gè)披著偽裝網(wǎng)的長方形房間里，四只老鷹輪流在覆蓋著草的棲息地之間來回飛翔，而科學(xué)家們則記錄下它們的每一次生物力學(xué)飛翔。研究人員正在參與觀察鳥類飛行這一歷史悠久的蹤跡。盡管在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們真正感興趣的是觀察它們的降落。

在棲息地之間超過1500次的飛行中，四只鷹幾乎總是采取相同的路徑。不是最快或最節(jié)能的，而是讓它們最安全和最能控制的棲息地。正如牛津大學(xué)數(shù)學(xué)生物學(xué)教授格雷赫姆·泰勒和他的同事最近在《自然》雜志上描述的那樣，這些鷹以U形弧線飛行，迅速拍打翅膀加速俯沖，然后急速向上俯沖滑翔，在抓到棲息地之前伸展翅膀減緩前進(jìn)速度。

英國阿蘭·圖靈研究所的研究數(shù)據(jù)科學(xué)家和英國牛津大學(xué)的博士后研究員莉迪亞·法蘭西說："觀察它們的飛行蹤跡是非常令人著迷的，"她設(shè)計(jì)并幫助運(yùn)行這些實(shí)驗(yàn)。鷹通過幾乎停在半空中降落的能力是它們的機(jī)械同行無法比擬的。

"美國佛羅里達(dá)大學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的助理教授薩米克·巴塔查亞說："進(jìn)化創(chuàng)造了一種遠(yuǎn)比我們所能設(shè)計(jì)的復(fù)雜的飛行裝置。今天的飛機(jī)無法與鳥類的機(jī)動(dòng)性相提并論的原因不僅僅是一個(gè)工程問題。盡管歷史上對鳥類進(jìn)行了細(xì)致的觀察，并激發(fā)了達(dá)芬奇和其他人幾個(gè)世紀(jì)以來對飛行器的設(shè)計(jì)，但使鳥類的機(jī)動(dòng)性成為可能的生物力學(xué)在很大程度上一直是個(gè)謎。

在牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，幾只鳥的飛行模式。

然而，去年3月發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)具有里程碑意義的研究，已經(jīng)開始改變這種狀況。在美國密歇根大學(xué)的博士研究中，克里斯蒂娜·哈維和她的同事們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鳥類可以在飛行過程中變形它們的翅膀，在像客機(jī)一樣平穩(wěn)飛行和像戰(zhàn)斗機(jī)一樣雜技飛行之間來回翻轉(zhuǎn)。他們的工作清楚地表明，鳥類可以完全改變支配空氣如何在其翅膀上移動(dòng)的空氣動(dòng)力特性和決定它們?nèi)绾卧诳罩蟹瓭L以完成快速機(jī)動(dòng)的身體慣性特性。

這些發(fā)現(xiàn)確定了促成鳥類特技飛行能力的巨大的、以前未知的因素，并揭示了使鳥類如此精通飛行的一些進(jìn)化壓力。它們還有助于重新起草未來工程師在試圖設(shè)計(jì)像鳥類那樣可操縱和可適應(yīng)的飛機(jī)時(shí)可能遵循的藍(lán)圖，這些飛機(jī)看似毫不費(fèi)力，但卻利用了我們剛剛開始了解的可怕的快速身體和精神資源。

在本科時(shí)學(xué)習(xí)機(jī)械工程的哈維將她對鳥類飛行的研究描述為 "量化一些東西，對我來說，看起來像魔術(shù)"。在她職業(yè)生涯的早期，在從工程學(xué)向生物學(xué)過渡之前，她從未想過自己會(huì)是那個(gè)試圖辨別鳥類秘密的人。

鳥類的幾何學(xué)

"我以前甚至不喜歡鳥，"哈維說。然而，2016年的一天，她坐在加拿大溫哥華大不列顛哥倫比亞大學(xué)附近的一個(gè)公園的巖壁上，在短暫的徒步旅行后休息，思考作為生物實(shí)驗(yàn)室新任命的碩士生應(yīng)該從事什么項(xiàng)目。在海鷗的包圍下，她想。"它們的飛行真的很酷，如果你忽略了它們有多煩人的話"。

海鷗很快就成了她所謂的 "火花 "鳥，她很快就放棄了對它們的忽視，而試圖更多地了解它們的飛行能力。但隨著哈維對文獻(xiàn)的深入挖掘，她意識到在我們對鳥類如何飛行的認(rèn)識上存在著重大差距。

2001年，泰勒在英國牛津大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)與人合著的一項(xiàng)研究給了她很大的啟發(fā)。泰勒的論文首次為鳥類和其他飛行動(dòng)物如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定奠定了理論基礎(chǔ)，這種特性使它們不會(huì)被推到錯(cuò)誤的方向上。

泰勒解釋說，穩(wěn)定性來自于固有的穩(wěn)定性，即對擾動(dòng)的先天抵抗力，以及控制，即改變對擾動(dòng)反應(yīng)的主動(dòng)能力。固有的穩(wěn)定性是一架好的紙飛機(jī)所具有的；控制是第五代戰(zhàn)斗機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)。2001年的研究表明，固有穩(wěn)定性在鳥類飛行中發(fā)揮的作用比人們普遍認(rèn)為的要大。

在讀完泰勒的論文后不久，哈維將她的博士工作重點(diǎn)放在開發(fā)鳥類飛行穩(wěn)定性的第一個(gè)動(dòng)態(tài)方程上。她說："我們有所有這些用于飛機(jī)的方程式，"她說。"我想讓它們用于鳥類飛行。"

鶚在對獵物進(jìn)行潛水攻擊的不同階段展示了它們的機(jī)動(dòng)性。在高空中，鶚可以在它發(fā)現(xiàn)的魚身上短暫地盤旋（左上）。它向下滑行（右上），然后伸出爪子更陡峭地俯沖（左下）。在抓住一條魚后，它扇動(dòng)翅膀急速拉起（右下）。翅膀改變形狀以根據(jù)需要調(diào)整其空氣動(dòng)力特性。

哈維和她的團(tuán)隊(duì)從加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的貝蒂生物多樣性博物館收集了36具冷凍鳥類尸體。這代表22個(gè)非常不同的物種。他們將尸體解剖到每根羽毛，測量長度、重量和翼展，并手動(dòng)伸展和收縮翅膀以計(jì)算出鳥類肘部和手腕的運(yùn)動(dòng)范圍。

他們編寫了一個(gè)新穎的建模程序，將不同類型的翅膀、骨骼、肌肉、皮膚和羽毛表現(xiàn)為數(shù)百種幾何形狀的組合。該軟件使他們能夠計(jì)算出相關(guān)的特性，如重心和 "中性點(diǎn)"，即鳥類飛行時(shí)的空氣動(dòng)力中心。然后他們確定了每只鳥在翅膀配置成各種形狀時(shí)的這些特性。

為了量化每只鳥的穩(wěn)定性和可操作性，他們計(jì)算了一個(gè)被稱為靜態(tài)余量的空氣動(dòng)力學(xué)因素，即其重心和中性點(diǎn)之間相對于翅膀尺寸的距離。如果一只鳥的中和點(diǎn)在它的重心后面，他們認(rèn)為這只鳥是內(nèi)在穩(wěn)定的，這意味著如果被推離平衡，飛鳥會(huì)自然地回到它的原始飛行軌道。如果中和點(diǎn)在重心的前面，那么鳥就不穩(wěn)定，會(huì)被進(jìn)一步推離它所處的位置。這正是鳥能夠做一個(gè)令人驚嘆的動(dòng)作所必須發(fā)生的。

當(dāng)航空工程師設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，他們設(shè)定靜態(tài)余量以達(dá)到預(yù)期的性能。但鳥類與飛機(jī)不同，可以移動(dòng)它們的翅膀并改變它們的身體姿勢，從而改變它們的靜態(tài)余量。因此，哈維和她的團(tuán)隊(duì)還評估了每只鳥的固有穩(wěn)定性在不同的機(jī)翼配置中如何變化。

這張圖改編自哈維和她的同事最近發(fā)表的一篇論文，顯示了他們?nèi)绾螌ⅧB類翅膀的形狀分析為數(shù)百種幾何形狀的組合。

普林斯頓大學(xué)機(jī)械和航空航天工程助理教授艾米·維薩（Aimy Wissa）說，實(shí)際上，哈維和她的同事們采用了一個(gè) "與我們對飛機(jī)所做的非常相似 "的框架，并將其適用于鳥類，他為《自然》雜志撰寫了一篇關(guān)于他們工作的評論。

靈活的飛行

大約在1.6億年前，當(dāng)長有羽毛的脊椎動(dòng)物恐龍將自己發(fā)射到空中時(shí)，它們是有限的飛行者，只在短距離內(nèi)或在微小的爆發(fā)中飛翔。但是，除了少數(shù)例外，這些恐龍后裔的1萬多種鳥類已經(jīng)進(jìn)化成非凡的飛行器，能夠進(jìn)行優(yōu)雅的滑翔和雜技動(dòng)作。這種機(jī)動(dòng)性要求在控制下利用不穩(wěn)定因素，然后從不穩(wěn)定因素中抽身出來。

由于現(xiàn)代鳥類的機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)，生物學(xué)家假定它們已經(jīng)進(jìn)化得越來越不穩(wěn)定了。哈維說："人們認(rèn)為，鳥類就像戰(zhàn)斗機(jī)一樣，只是靠著這些不穩(wěn)定性來完成這些非常快速的機(jī)動(dòng)動(dòng)作。這就是為什么鳥類以這種我們還不能完全復(fù)制的方式飛行。"

但是研究人員發(fā)現(xiàn)，他們所研究的物種中只有一種，即野雞是完全不穩(wěn)定的。四個(gè)物種是完全穩(wěn)定的，17個(gè)物種：包括雨燕和鴿子，可以通過變形它們的翅膀在穩(wěn)定和不穩(wěn)定的飛行之間切換。"真的，我們所看到的是這些鳥能夠在那種更像戰(zhàn)斗機(jī)的風(fēng)格和更像客機(jī)的風(fēng)格之間轉(zhuǎn)換，"哈維說。

對于像Archaeopteryx這樣的早期有羽毛的翼手類動(dòng)物來說，在它們短暫的空中飛行中，穩(wěn)定性可能比可操作性更重要。現(xiàn)代鳥類的需求在空氣動(dòng)力學(xué)上要求更高。

她的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的數(shù)學(xué)建模表明，與其說進(jìn)化增強(qiáng)了鳥類的不穩(wěn)定性，不如說是保留了它們穩(wěn)定和不穩(wěn)定的潛力。在所有研究的鳥類中，哈維的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明，選擇壓力同時(shí)保持了使兩者都能實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)邊緣。因此，鳥類有能力從穩(wěn)定的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的模式，并根據(jù)需要改變其飛行特性。

現(xiàn)代飛機(jī)無法做到這一點(diǎn)，不僅是因?yàn)樗鼈兊目諝鈩?dòng)力學(xué)和慣性特征更加固定，而且因?yàn)樗鼈冃枰獌煞N非常不同的控制算法。不穩(wěn)定的飛行意味著不斷進(jìn)行修正以避免墜毀。佛羅里達(dá)州阿奇博爾德生物站的行為生態(tài)學(xué)家和鳥類生態(tài)學(xué)項(xiàng)目主任里德·鮑曼說："鳥類一定要做類似的事情，"這其中一定有某種程度的認(rèn)知。

史密森學(xué)會(huì)古生物學(xué)部恐龍館館長馬修·卡拉諾（Matthew Carrano）說："自從人們研究進(jìn)化論以來，人們就一直試圖了解鳥類的起源，一個(gè)主要障礙是飛行的復(fù)雜性和我們無法解構(gòu)它。"

最讓他吃驚的不是鳥類擁有這些在穩(wěn)定和不穩(wěn)定的飛行模式之間轉(zhuǎn)換的能力；而是一些物種，如野雞似乎沒有這種能力。他想知道這些物種是否從未進(jìn)化出這種能力，或者它們是否在某個(gè)時(shí)刻失去了這種能力，就像現(xiàn)代不會(huì)飛的鳥類是那些曾經(jīng)會(huì)飛的鳥類的后代一樣。

制造更好的飛機(jī)

鳥類所掌握的許多翻筋斗、旋轉(zhuǎn)和墜落的動(dòng)作都不是任何人想在客機(jī)上體驗(yàn)的。但是無人駕駛航空器，也被稱為無人駕駛飛機(jī)或無人機(jī)，可以更自由地進(jìn)行劇烈的機(jī)動(dòng)，而且它們在軍事、科學(xué)、娛樂和其他用途上的日益普及正在為它們創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)。

歐洲的空中客車飛機(jī)制造公司的概念機(jī)。借鑒了很多鳥類飛行的思考。

巴塔查亞說："這是朝著產(chǎn)生更多可操縱的無人機(jī)邁出的一大步，"他看到哈維的研究后，立即將其發(fā)送給他的工程小組。今天的大多數(shù)無人機(jī)都是固定翼飛機(jī)，對于監(jiān)視任務(wù)和農(nóng)業(yè)用途來說是很好的，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У仫w行數(shù)小時(shí)并穿越數(shù)千公里。然而，它們?nèi)狈υ跇I(yè)余愛好者中流行的脆弱的四旋翼無人機(jī)的可操作性。空中客車公司和美國國家航空航天局的研究人員正在夢想有翼飛機(jī)的新穎設(shè)計(jì)，可以模仿鳥類的一些令人難以置信的操縱才能。

泰勒和他的團(tuán)隊(duì)希望分析鳥類在學(xué)習(xí)飛行時(shí)如何獲得執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。如果研究人員能夠真正理解這些操縱原理，工程師們有朝一日可能會(huì)在新飛行器的設(shè)計(jì)中加入人工智能，使它們不僅在外觀上，而且在學(xué)習(xí)飛行行為的能力上模仿生物。

當(dāng)她在美國加州大學(xué)戴維斯分校建立她的新實(shí)驗(yàn)室時(shí)，哈維仍在決定她未來的研究將位于從鳥類飛行的基礎(chǔ)研究到設(shè)計(jì)和制造無人機(jī)和飛機(jī)的光譜上。但首先，她正在努力建立一個(gè)由工程和生物學(xué)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)，這些學(xué)生和她一樣對在兩個(gè)非常不同的領(lǐng)域的邊界工作充滿熱情。

哈維說："我不認(rèn)為我是完全在工程領(lǐng)域內(nèi)開花結(jié)果的，"當(dāng)她開始在生物學(xué)的邊緣工作時(shí)，她覺得自己可以更有創(chuàng)造力。現(xiàn)在，令她的許多工程同事感到沮喪的是，她花了很長時(shí)間來完善鳥類的形象。"她說："我花了一半的時(shí)間畫畫。這真的改變了我的觀點(diǎn)"。