カモフラージュ ネットで覆われた長方形の部屋で、科学者がすべての生体力学的な羽ばたきを記録している間、4 羽のハリスのタカが交代で草で覆われた止まり木の間を行き来しました。研究者たちは、鳥が飛ぶのを見るという古くからの追求に参加していましたが、この実験では、彼らの本当の関心は鳥が着陸するのを見ることでした.
止まり木間の 1,500 回以上の飛行で、4 羽のタカはほぼ常に同じ経路をたどりました。最速でもエネルギー効率の良い経路でもありませんでしたが、最も安全に、最も制御して停止できる経路でした。オックスフォード大学の数理生物学の教授である Graham Taylor と彼の同僚が最近 Nature で説明したように 、タカはU字型の弧を描いて飛び、急速に翼を羽ばたかせて急降下して急降下し、急上昇して滑空し、翼を伸ばして進行を遅らせて止まり木につかみました.
アラン・チューリング研究所の研究データ科学者であり、実験を計画し実行を支援したオックスフォード大学のポスドク研究者であるリディア・フランスは、次のように述べています。空中でほぼ停止して着陸するタカの能力は、機械的なタカに匹敵しません。
セントラルフロリダ大学の実験流体力学研究室の助教授である Samik Bhattacharya は、次のように述べています。今日の航空機が鳥類の機動性に匹敵しない理由は、単に工学の問題ではありません。鳥は歴史を通じて綿密に観察され、何世紀にもわたってレオナルド・ダ・ヴィンチなどによる飛行機械の設計に影響を与えてきましたが、鳥の機動性を可能にする生体力学はほとんど謎のままでした.
Nature で昨年 3 月に発表された画期的な研究 しかし、それを変え始めました。ミシガン大学での博士課程の研究で、Christina Harvey と彼女の同僚は、ほとんどの鳥が飛行中に翼を変形させ、旅客機のように滑らかに飛行することと、戦闘機のようにアクロバティックに飛行することとの間を行ったり来たりできることを発見しました。彼らの研究は、鳥が翼の上で空気がどのように移動するかを支配する空気力学的特性と、空中を転がって速い操縦を完了する方法を決定する体の慣性特性の両方を完全に変えることができることを明らかにしています.
これらの発見により、鳥の曲技飛行能力に寄与するこれまで知られていなかった大きな要因が特定され、鳥が飛行に熟達した進化の圧力のいくつかが明らかになりました。彼らはまた、将来のエンジニアが鳥のように操縦可能で適応可能な航空機を設計しようとするときに従う可能性のある青写真を再作成するのにも役立ちます.
学部生として機械工学を学んだハーベイは、鳥の飛行に関する彼女の研究を「私にとって魔法のように見える何かを数値化すること」と表現しています。キャリアの早い段階で、工学から生物学に移行する前は、自分が鳥の秘密を解明しようとしているとは思っていませんでした。
鳥の幾何学
「私は鳥が好きでさえありませんでした」とハーベイは言いました。しかし、2016 年のある日、彼女はブリティッシュ コロンビア大学近くの公園の岩棚に腰を下ろし、短いハイキングの後に休憩し、生物学研究室の新しく任命された修士課程の学生としてどのようなプロジェクトを追求するかを考えていました。カモメに囲まれて、彼女はこう思いました:「カモメがどんなにうるさいかを無視すれば、カモメは本当にかっこよく飛ぶよ。」
カモメはすぐに彼女が「火花を散らす」鳥と呼ぶものになり、彼女はすぐにカモメを避けることをあきらめ、カモメの飛ぶ力についてもっと理解しようとすることにしました。しかし、Harvey が文献を深く掘り下げるにつれ、鳥の飛行方法に関する私たちの知識には大きなギャップがあることに気付きました。
彼女は、テイラーがオックスフォードで博士号を取得しようとしていたときに共同執筆した 2001 年の研究に深く感銘を受けました。テイラーの論文は、鳥や他の飛行動物がどのようにして安定性を達成するか、つまり間違った方向に押されないようにする特性の理論的基礎を示した最初の論文です。
Taylor 氏によると、安定性は、固有の安定性、つまり摂動に対する生来の抵抗力と、摂動に対する応答を変更する能動的能力である制御の組み合わせから生じると説明されています。優れた紙飛行機には固有の安定性があります。制御は第5世代戦闘機の強みです。 2001 年の研究では、固有の安定性が鳥の飛行において一般に信じられているよりも大きな役割を果たしていることが示されました.
Taylor の論文を読んだ直後、Harvey は博士号の研究を、鳥の飛行における最初の動的安定方程式の開発に集中させました。 「航空機に関するこれらすべての方程式があります」と彼女は言いました。 「鳥の飛翔用に欲しかった。」
鳥の飛行の安定性と不安定性、およびそれらを制御する際に鳥が直面する課題を理解するには、彼女と彼女のチームが鳥のすべての慣性特性をマッピングする必要があることにハーベイは気付きました。慣性特性は、動いている鳥に作用する空力特性とは対照的に、鳥の質量とその分布に関連しています。
ハーベイと彼女のチームは、カナダのバンクーバーにあるブリティッシュ コロンビア大学のビーティ生物多様性博物館から、22 の非常に異なる種を代表する 36 の凍った鳥の死体を集めました。彼らは死体を個々の羽まで解剖し、長さ、重さ、翼幅を測定し、翼を手動で伸縮させて、鳥の肘と手首の可動範囲を把握しました。
彼らは、さまざまな種類の翼、骨、筋肉、皮膚、羽毛を何百もの幾何学的形状の組み合わせとして表現する新しいモデリング プログラムを作成しました。このソフトウェアにより、重心や飛行中の鳥の空気力学的中心である「中立点」などの関連特性を計算することができました。次に、翼がさまざまな形に構成された各鳥のこれらの特性を決定しました。
各鳥の安定性と操縦性を定量化するために、彼らは静マージンと呼ばれる空力係数を計算しました。鳥の中立点が重心の後ろにある場合、彼らは鳥が本質的に安定していると考えました。中立点が重心の前にある場合、鳥は不安定になり、現在の位置からさらに押し出されます。これは、鳥が息をのむような操縦を行うためにまさに起こらなければならないことです.
航空技術者が飛行機を設計するとき、静的マージンを設定して、目的のパフォーマンスを達成します。しかし、鳥は飛行機とは異なり、翼を動かして体の姿勢を変えることができるため、静的マージンを変更できます。したがって、Harvey と彼女のチームは、それぞれの鳥の固有の安定性が翼の構成によってどのように変化するかも評価しました。
実際、Harvey と彼女の同僚は、「私たちが航空機に対して行っていることと非常によく似た」フレームワークを採用し、それを鳥類に適応させたと、プリンストン大学の機械および航空宇宙工学の助教授である Aimy Wissa は述べています。 自然 .
フレキシブル フライト
約 1 億 6000 万年前に羽毛の獣脚類恐竜が空中に飛び立ったとき、彼らは限られた飛行しかできず、短距離または小さな爆発でしか羽ばたきませんでした。しかし、いくつかの例外を除いて、これらの恐竜の子孫である 10,000 種以上の鳥類は、優雅な滑空とアクロバティックな操縦が可能な並外れた飛行機械に進化しました。この種の機動性には、不安定性を制御して活用し、そこから抜け出す必要があります。
現代の鳥類は非常に機動性が高いため、生物学者は鳥類がますます不安定になるように進化したと考えていました。 「鳥は、戦闘機のように、これらの不安定性に身を乗り出して、これらの非常に速い操縦を行うと考えられていました」とハービーは言いました。 「それが、鳥がこのように飛ぶ理由であり、まだ完全に再現することはできません。」
しかし、研究者たちは、調査した種の 1 つであるキジだけが完全に不安定であることを発見しました。 4 種は完全に安定しており、アマツバメやハトを含む 17 種は羽を変形させることで、安定した飛行と不安定な飛行を切り替えることができました。 「本当に、私たちが見ているのは、これらの鳥がその種のより戦闘機のようなスタイルとより旅客機のようなスタイルの間で移行できることです」とハービーは言いました.
彼女のチームによるさらなる数学的モデリングは、進化が鳥の不安定性を高めるのではなく、安定性と不安定性の両方の可能性を維持していることを示唆しました。調査したすべての鳥で、Harvey のチームは、選択圧力が両方を可能にする静的マージンを同時に維持しているという証拠を発見しました。その結果、鳥は安定したモードから不安定なモードに移行し、必要に応じて飛行特性を変更することができます。
現代の航空機では、空力および慣性機能がより固定されているという理由だけでなく、2 つの非常に異なる制御アルゴリズムが必要になるため、これを行うことはできません。不安定な飛行とは、墜落を避けるために常に修正を加えることを意味します。フロリダ州の Archbold Biological Station で鳥類生態学プログラムの責任者を務める行動生態学者の Reed Bowman 氏は、鳥類も同様のことを行う必要があり、「そこにはある程度の認識が必要であるに違いありません」と述べています。
スミソニアン協会の部門で恐竜の学芸員を務めるマシュー・カラーノ氏は、「人々は進化を研究してきた限り、鳥の起源を理解しようと努めてきました。そして、主な障害は飛行の複雑さとそれを分解することができないことでした」と語った。
彼が最も驚いたのは、鳥が安定した飛行モードと不安定な飛行モードを切り替える能力を持っていることではありません。キジのような一部の種はそうではないようです。彼は、それらの種がそれを進化させなかったのか、それともある時点で能力を失ったのか、かつて飛ぶことができた鳥から現代の飛べない鳥が生まれたのと同じように疑問に思います.
より良い航空機の構築
鳥が習得した宙返り、回転、急降下の操作の多くは、旅客機で経験したいとは思わないものです。しかし、UAV またはドローンとしても知られる無人航空機は、思い切った操縦を自由に行うことができ、軍事、科学、レクリエーション、およびその他の用途で人気が高まっているため、そうする機会が増えています。
「これは、より機動性の高い UAV を生み出すための大きな一歩です」と、Harvey の研究を見た Bhattacharya はすぐに彼のエンジニアリング グループに送りました。今日のほとんどの UAV は固定翼航空機であり、数時間にわたって効率的に飛行し、数千キロメートルを移動できるため、監視任務や農業目的に最適です。ただし、愛好家の間で人気のある壊れやすいクアッドコプター ドローンの機動性に欠けています。エアバスと NASA の研究者は、鳥の驚くべき操縦能力の一部を模倣できる有翼航空機の斬新なデザインを考えています。
テイラーと彼のチームは、鳥が飛ぶことを学びながら複雑なタスクを実行する能力をどのように獲得するかを分析したいと考えています。研究者がこれらの操作を本当に理解できれば、エンジニアはいつの日か新しいフライヤーのデザインに AI を組み込み、見た目だけでなく飛行行動を学習する能力において生物学を模倣できるようになるかもしれません.
ハーベイは、カリフォルニア大学デービス校に新しい研究室を立ち上げましたが、鳥の飛行に関する基礎研究からドローンや飛行機の設計と製造に至るまで、彼女の将来の研究をどこに置くかをまだ決めていません。しかし最初に、彼女は、彼女と同じように 2 つの非常に異なる分野の境界で働くことに情熱を持っている工学と生物学の学生のチームを構築するために取り組んでいます.
「私はエンジニアリングの中で完全に花開いたとは思いません」とハーベイは言いました。生物学の最先端で働き始めたとき、彼女はもっとクリエイティブになれると感じました。現在、エンジニアの同僚の多くががっかりしていることに、彼女は鳥のフィギュアを完成させるために長時間を費やしています。 「私は時間の半分を絵に費やしています」と彼女は言いました。 「私の見方が本当に変わりました。」
