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動性飛行。

在一個披著偽裝網(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。盡管在這個實驗中，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)計并幫助運行這些實驗。鷹通過幾乎停在半空中降落的能力是它們的機械同行無法比擬的。

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

在牛津大學(xué)的實驗中，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，在像客機一樣平穩(wěn)飛行和像戰(zhàn)斗機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的空氣動力特性和決定它們?nèi)绾卧诳罩蟹瓭L以完成快速機動的身體慣性特性。

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化壓力。它們還有助于重新起草未來工程師在試圖設(shè)計像鳥類那樣可操縱和可適應(yīng)的飛機時可能遵循的藍圖，這些飛機看似毫不費力，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。

在本科時學(xué)習(xí)機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，她從未想過自己會是那個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)附近的一個公園的巖壁上，在短暫的徒步旅行后休息，思考作為生物實驗室新任命的碩士生應(yīng)該從事什么項目。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。但隨著哈維對文獻的深入挖掘，她意識到在我們對鳥類如何飛行的認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)位時與人合著的一項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物如何實現(xiàn)穩(wěn)定奠定了理論基礎(chǔ)，這種特性使它們不會被推到錯誤的方向上。

泰勒解釋說，穩(wěn)定性來自于固有的穩(wěn)定性，即對擾動的先天抵抗力，以及控制，即改變對擾動反應(yīng)的主動能力。固有的穩(wěn)定性是一架好的紙飛機所具有的；控制是第五代戰(zhàn)斗機的強項。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放在開發(fā)鳥類飛行穩(wěn)定性的第一個動態(tài)方程上。她說："我們有所有這些用于飛機的方程式，"她說。"我想讓它們用于鳥類飛行。"

鶚在對獵物進行潛水攻擊的不同階段展示了它們的機動性。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)整其空氣動力特性。

哈維和她的團隊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，并手動伸展和收縮翅膀以計算出鳥類肘部和手腕的運動范圍。

他們編寫了一個新穎的建模程序，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算出相關(guān)的特性，如重心和 "中性點"，即鳥類飛行時的空氣動力中心。然后他們確定了每只鳥在翅膀配置成各種形狀時的這些特性。

為了量化每只鳥的穩(wěn)定性和可操作性，他們計算了一個被稱為靜態(tài)余量的空氣動力學(xué)因素，即其重心和中性點之間相對于翅膀尺寸的距離。如果一只鳥的中和點在它的重心后面，他們認為這只鳥是內(nèi)在穩(wěn)定的，這意味著如果被推離平衡，飛鳥會自然地回到它的原始飛行軌道。如果中和點在重心的前面，那么鳥就不穩(wěn)定，會被進一步推離它所處的位置。這正是鳥能夠做一個令人驚嘆的動作所必須發(fā)生的。

當(dāng)航空工程師設(shè)計飛機時，他們設(shè)定靜態(tài)余量以達到預(yù)期的性能。但鳥類與飛機不同，可以移動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，哈維和她的團隊還評估了每只鳥的固有穩(wěn)定性在不同的機翼配置中如何變化。

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)機械和航空航天工程助理教授艾米·維薩（Aimy Wissa）說，實際上，哈維和她的同事們采用了一個 "與我們對飛機所做的非常相似 "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)長有羽毛的脊椎動物恐龍將自己發(fā)射到空中時，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)進化成非凡的飛行器，能夠進行優(yōu)雅的滑翔和雜技動作。這種機動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)代鳥類的機動性很強，生物學(xué)家假定它們已經(jīng)進化得越來越不穩(wěn)定了。哈維說："人們認為，鳥類就像戰(zhàn)斗機一樣，只是靠著這些不穩(wěn)定性來完成這些非?？焖俚臋C動動作。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。四個物種是完全穩(wěn)定的，17個物種：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)斗機的風(fēng)格和更像客機的風(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力學(xué)上要求更高。

她的團隊進一步的數(shù)學(xué)建模表明，與其說進化增強了鳥類的不穩(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，哈維的團隊發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明，選擇壓力同時保持了使兩者都能實現(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)代飛機無法做到這一點，不僅是因為它們的空氣動力學(xué)和慣性特征更加固定，而且因為它們需要兩種非常不同的控制算法。不穩(wěn)定的飛行意味著不斷進行修正以避免墜毀。佛羅里達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知。

史密森學(xué)會古生物學(xué)部恐龍館館長馬修·卡拉諾（Matthew Carrano）說："自從人們研究進化論以來，人們就一直試圖了解鳥類的起源，一個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化出這種能力，或者它們是否在某個時刻失去了這種能力，就像現(xiàn)代不會飛的鳥類是那些曾經(jīng)會飛的鳥類的后代一樣。

制造更好的飛機

鳥類所掌握的許多翻筋斗、旋轉(zhuǎn)和墜落的動作都不是任何人想在客機上體驗的。但是無人駕駛航空器，也被稱為無人駕駛飛機或無人機，可以更自由地進行劇烈的機動，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)造更多機會。

歐洲的空中客車飛機制造公司的概念機。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)無人機都是固定翼飛機，對于監(jiān)視任務(wù)和農(nóng)業(yè)用途來說是很好的，因為它們可以有效地飛行數(shù)小時并穿越數(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的可操作性?？罩锌蛙嚬竞兔绹鴩液娇蘸教炀值难芯咳藛T正在夢想有翼飛機的新穎設(shè)計，可以模仿鳥類的一些令人難以置信的操縱才能。

泰勒和他的團隊希望分析鳥類在學(xué)習(xí)飛行時如何獲得執(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在新飛行器的設(shè)計中加入人工智能，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驗室時，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)計和制造無人機和飛機的光譜上。但首先，她正在努力建立一個由工程和生物學(xué)學(xué)生組成的團隊，這些學(xué)生和她一樣對在兩個非常不同的領(lǐng)域的邊界工作充滿熱情。

哈維說："我不認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，她覺得自己可以更有創(chuàng)造力?，F(xiàn)在，令她的許多工程同事感到沮喪的是，她花了很長時間來完善鳥類的形象。"她說："我花了一半的時間畫畫。這真的改變了我的觀點"。