Der Schlüssel zum agilen Vogelflug ist der schnelle Wechsel zwischen stabilem und instabilem Gleiten

Während angenommen wurde, dass instabiles Gleiten der Schlüssel zur Agilität im Vogelflug ist, zeigte eine Zusammenarbeit zwischen Luft- und Raumfahrtingenieuren der University of Michigan und Biologen der University of British Columbia, dass Stabilität eine Rolle spielt.

Die Entdeckung könnte zur Entwicklung agilerer Flugzeuge führen, insbesondere unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs).

Die Entdeckung kommt überraschend, da angenommen wurde, dass sich Vögel stetig zu weniger stabilem Flug entwickelt haben, von den langen, schwerfälligen Dinosaurierschwänzen der frühesten Vögel bis zur kurzschwänzigen Beweglichkeit moderner Vögel. Und doch ist es aus Sicht der Flugkontrollierbarkeit kein so großer Schock.

„Ich war schon immer erstaunt, wie Vögel scheinbar mühelos stundenlang dahingleiten können, nur um – im Bruchteil einer Sekunde – einen einzigartigen Trick auszuführen, wie einen Sturzflug oder ein anderes plötzlich instabil aussehendes Manöver“, sagte Christina Harvey, Ph.D . Student der Luft- und Raumfahrttechnik an der UM und Hauptautor der Studie in Natur.

Ein instabiler Flug erfordert ständige Wachsamkeit, um einen Absturz zu vermeiden – ein Steueralgorithmus, der die Klappen eines Kampfjets anpasst, oder ein Gehirn, das Muskeln für korrigierende Änderungen signalisiert. Im Gegensatz dazu kann stabiles Gleiten das Flattern durch Böen bis zu einem gewissen Grad passiv korrigieren.

„Wir haben eine Evolutionsanalyse unter der Leitung von Vikram Baliga durchgeführt, die ziemlich überzeugend gezeigt hat, dass es eine starke evolutionäre Kraft gibt, die Vögel nicht in Richtung Stabilität oder Manövrierfähigkeit treibt, sondern in Richtung der Fähigkeit, zwischen ihnen zu wechseln“, sagte Doug Altshuler, Professor für Zoologie an der UBC , der die biologischen Aspekte des Projekts betreute.

Harvey, die ihr Masterstudium an der UBC bei Altshuler absolvierte, hatte beabsichtigt, bei den Vogelstudien zu helfen. Als die Pandemie Reisen jedoch nicht ratsam machte, nahmen ihre ehemaligen Laborkollegen Daten für sie auf. Baliga, Postdoktorandin, und Jasmin Wong, Ph.D. Studentin der Zoologie, studierte 22 Vogelarten am Beaty Museum of Biodiversity der UBC. Das Museum sammelt Vögel, die in Zoos und Wildschutzgebieten sterben, und friert sie für zukünftige Forschungsstudien ein.

„Wir haben die Bewegung der Ellbogen- und Handgelenke sowie die gesamte Flügelform während der Beugung und Streckung des Flügels verfolgt und Sezierungen an Museumsexemplaren durchgeführt“, sagte Wong.

Sie und Baliga maßen sorgfältig die Länge, Breite und Masse jedes wichtigen Körperteils eines Vogels, einschließlich Kopf, Rumpf, Flügel und Schwanz. Harvey entwickelte dann ein Computermodell, das diese Informationen einliest und berechnete, wo sich der Schwerpunkt jedes Vogels befindet – eine Art Gleichgewichtspunkt. Auf der Grundlage früherer Arbeiten schätzte Harvey den neutralen Punkt jeder Flügelform – die Stelle am Vogel, an der, wenn der Schwerpunkt dort platziert wäre, die Position des Vogels nicht durch Störungen wie Böen beeinflusst würde.

Der Schlüssel zur Stabilität liegt darin, wo diese beiden Punkte – Schwerpunkt und neutraler Punkt – zueinander stehen. Wenn der neutrale Punkt vor dem Schwerpunkt liegt, ist ein gleitender Vogel stabil, was bedeutet, dass, wenn ein Windstoß ihn in eine Aufwärtsneigung schlägt, der Vogel passiv in seine Ausgangsposition zurückkehrt, ohne seine Haltung zu ändern. Wenn sich der neutrale Punkt jedoch hinter dem Massenmittelpunkt befindet, neigt sich der Vogel immer weiter nach oben, wenn er keine Korrekturmaßnahmen ergreift.

„Durch die Kombination all dieser verschiedenen Informationen für jede einzelne Art haben wir Modelle erstellt, die uns ein Verständnis dafür vermittelten, wie eine Art ihre eigene Stabilität oder Instabilität verändern könnte, während sie herumfliegt“, sagte Baliga.

Es stellt sich heraus, dass die meisten modernen Vogelarten den neutralen Punkt so manipulieren können, dass sie vor oder hinter dem Schwerpunkt liegen, indem sie die Form ihrer Flügel ändern, wodurch sie ihre Stabilität nach Bedarf ändern können.

„Forscher, die an Morphing-Flugzeugen arbeiten, haben den Vogelflug schon lange als Motivation angeführt. Christinas einzigartiger Hintergrund und die anschließende Forschung haben dazu beigetragen, solche Behauptungen in analytische Begriffe zu fassen und aus dem Vogelflug und seiner Beziehung zu Morphing-UAVs eine präzise Wissenschaft zu machen“, sagte Daniel Inman , der Harm Buning Collegiate Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der UM, der die technische Seite des Projekts beaufsichtigte.

Harvey erwähnte eine solche Studie, in der eine von Vögeln inspirierte Drohne zwischen stabilem und instabilem Gleiten wechseln konnte, indem sie ihre Flügel nach hinten schwenkte. Diese Forscher stellten jedoch fest, dass die Steuerung des Flugzeugs durch diesen Übergang eine Herausforderung darstellte.

„Mein nächster Schritt ist es, einen Steuerungsexperten für eine neue Zusammenarbeit an Bord zu holen“, sagte Harvey. „Wenn wir wollen, dass unsere UAVs dorthin fliegen, wie viel Arbeit wird das sein? Ist das machbar?“