위장 그물에 드리워진 직사각형 방에서, 4 개의 해리스의 호크스는 잔디로 덮인 농초 사이에서 앞뒤로 날아 갔고 과학자들은 모든 생체 역학적 플러터를 기록했습니다. 연구원들은 새들이 날아 다니는 시청을하는 데 오랜 시간이 지남에 따라 많은 관심을 보였지만,이 실험에서는 그들의 진정한 관심이 그들을 지켜 보는 데 도움이되었습니다.
.퍼치 사이의 1,500 개가 넘는 항공편에서, 4 개의 호크는 거의 항상 같은 길을 택했습니다. 가장 빠르거나 가장 에너지 효율적인 것이 아니라 가장 안전하고 가장 잘 통제 할 수있는 것입니다. 옥스포드 대학의 수학적 생물학 교수 인 그레이엄 테일러 (Graham Taylor)와 그의 동료들은 최근 자연 에 묘사했습니다. , 호크스는 U 자 모양의 아크로 날아가서 날개를 빠르게 펄럭 거리며 다이빙으로 가속화 한 다음 글라이드로 위로 올라가서 날개를 뻗어 진보를 늦추기 전에 진보를 느리게했습니다.
.Alan Turing Institute의 연구 데이터 과학자 인 Lydia France와 옥스포드 대학교 (University of Oxford)의 박사후 연구원 인 리디아 프랑스 (Lydia France)는“이들을 지켜 보는 것은 외계인입니다. 공중에서 거의 멈춰서 매주가 착륙 할 수있는 능력은 기계적인 대응 자들과 타의 추종을 불허합니다.
센트럴 플로리다 대학의 실험용 유체 역학 연구소 조교수 인 Samik Bhattacharya는“Evolution은 우리가 엔지니어링 할 수 있었던 것보다 훨씬 더 복잡한 비행 장치를 만들었습니다. 오늘날의 항공기가 조류 기동성과 일치 할 수없는 이유는 단순히 엔지니어링의 문제가 아닙니다. 새들은 역사 전반에 걸쳐 세 심하게 관찰되었으며 레오나르도 다빈치 (Leonardo da Vinci)와 다른 사람들의 비행기를위한 디자인에 영감을주었습니다.
지난 3 월 Nature 에 발표 된 획기적인 연구 그러나 그것을 바꾸기 시작했습니다. 미시간 대학교 (University of Michigan)의 박사 연구를 위해 크리스티나 하비 (Christina Harvey)와 그녀의 동료들은 대부분의 새들이 비행기 중반에 승객 비행기처럼 부드럽게 날고 전투기처럼 곡예로 날아가는 사이에서 비행기를 타고 날아가는 날개를 변형시킬 수 있음을 발견했습니다. 그들의 작업은 조류가 공기가 날개 위로 움직이는 방법과 신체의 관성 특성을 지배하는 공기 역학적 특성을 완전히 바꿀 수 있음을 분명히합니다.
이러한 발견은 조류의 우산 능력에 기여하는 크고 이전에 알려지지 않은 요인을 확인했으며 새들이 비행에 능숙하게 만든 진화론 적 압력을 드러 냈습니다. 그들은 또한 미래의 엔지니어들이 항공기를 조류로 설계하려고 할 때 미래의 엔지니어들이 따를 수있는 청사진을 다시 돕고 있습니다.
학부생으로 기계 공학을 공부 한 Harvey는 조류 비행에 대한 그녀의 연구를“나에게 마술처럼 보이는 것을 정량화하는”것으로 묘사합니다. 그녀의 경력 초기에, 공학에서 생물학으로 전환하기 전에, 그녀는 새들의 비밀을 분별하려는 사람이라고 생각하지 않았습니다.
조류의 기하학
하비는“나는 새를 좋아하지 않았다”고 말했다. 그러나 2016 년 어느 날, 그녀는 브리티시 컬럼비아 대학교 근처의 공원에서 바위가 많은 난간에 앉아 짧은 하이킹을 마치고 휴식을 취하고 생물학 연구소에서 새로 임명 된 마스터 학생으로서 어떤 프로젝트를 추구 해야하는지 생각했습니다. 갈매기에 둘러싸여 그녀는 다음과 같이 생각했습니다.“그들이 얼마나 성가신 지 무시하면 정말 시원합니다.”
갈매기는 빨리 그녀가 그녀의“스파크”새라고 부르는 것이되었으며, 그녀는 곧 비행의 힘에 대해 더 많이 이해하려고 노력하는 것을지지하는 것을 피했습니다. 그러나 하비가 문학에 더 깊이 파고 들었을 때, 그녀는 새들이 어떻게 날아 가는지에 대한 우리의 지식에 큰 차이가 있다는 것을 깨달았습니다.
그녀는 Taylor가 옥스포드에서 박사 학위를 추구하는 동안 공동 저술 한 2001 년 연구에서 깊이 영감을 받았습니다. 테일러의 논문은 조류와 다른 날아 다니는 동물이 어떻게 안정성을 달성하는지에 대한 이론적 토대를 마련한 최초의 사람이었습니다.
.테일러는 안정성은 고유 한 안정성 또는 섭동에 대한 타고난 저항의 조합과 섭동에 대한 반응을 변화시키는 적극적인 능력의 조합에서 비롯된다. 고유의 안정성은 좋은 종이 비행기가 가진 것입니다. 제어는 5 세대 전투기의 장점입니다. 2001 년 연구에 따르면 내재 된 안정성은 일반적으로 믿었던 것보다 새 비행에서 더 큰 역할을했습니다.
Taylor의 논문을 읽은 직후 Harvey는 박사 학위를 통해 조류 비행에서 첫 번째 역동적 인 안정성 방정식을 개발하는 데 집중했습니다. "우리는 항공기에 대한 이러한 모든 방정식을 가지고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "나는 새 비행을 원했다."
조류 비행의 안정성과 불안정성과 조류가 그들을 통제 할 때 직면 한 도전을 이해하기 위해, Harvey는 그녀와 그녀의 팀이 조류의 모든 관성 특성을 매핑해야했으며, 이전 연구는 크게 무시하거나 중요하지 않은 것으로 취급해야했습니다. 관성 특성은 조류의 덩어리와 관련하여 조류가 움직이는 조류에 작용하는 공기 역학적 특성과 대조적으로 분포 된 방법과 관련이 있습니다.
하비와 그녀의 팀은 캐나다 밴쿠버에있는 브리티시 컬럼비아 대학교 (University of British Columbia)의 비티 생물 다양성 박물관 (Beaty Biodiversity Museum)에서 22 종을 대표하는 36 개의 냉동 조류 시체를 모았습니다. 그들은 시체를 각 개별 깃털에 해부하고 길이, 무게 및 날개 길이 측정을 취했으며, 새의 팔꿈치와 손목의 움직임 범위를 파악하기 위해 날개를 수동으로 확장하고 수축했습니다.
.그들은 수백 개의 기하학적 형태의 조합으로 다양한 유형의 날개, 뼈, 근육, 피부 및 깃털을 나타내는 새로운 모델링 프로그램을 썼습니다. 이 소프트웨어를 통해 중심의 중심 및 비행 중의 공기 역학적 중심 인 "중립 지점"과 같은 관련 특성을 계산할 수있었습니다. 그런 다음 날개가 다양한 모양으로 구성된 각 새에 대한 특성을 결정했습니다.
각 조류의 안정성과 기동성을 정량화하기 위해 정적 마진이라고 불리는 공기 역학적 인자, 무게 중심 사이의 거리와 날개의 치수에 대한 중립 지점을 계산했습니다. 새의 중립 지점이 무게 중심 뒤에 있다면, 그들은 새가 본질적으로 안정적이라고 생각했습니다. 즉, 날아 다니는 새가 자연스럽게 균형을 잃으면 원래 비행 경로로 돌아갑니다. 중립 지점이 무게 중심 앞에 있다면, 새가 불안정하고 입장에서 더 밀려날 것입니다. 이는 새가 숨막히는 기동을 할 수 있도록해야 할 일입니다.
.항공 엔지니어가 비행기를 설계 할 때, 그들은 정적 마진을 설정하여 원하는 성능을 달성했습니다. 그러나 비행기와 달리 새들은 날개를 움직여 몸 자세를 옮겨 정적 마진을 바꿀 수 있습니다. 따라서 Harvey와 그녀의 팀은 또한 각 새의 고유 한 안정성이 다른 날개 구성에서 어떻게 변했는지 평가했습니다.
사실상, 하비와 그녀의 동료들은“항공기와 매우 유사한 것과 매우 유사한”프레임 워크를 가져 와서 새들에게 적응했다고 프린스턴 대학의 기계 및 항공 우주 공학 조교수 인 AIMY Wissa는 Nature에 대한 논평을 썼다. .
Flexible Flight
깃털 테라 포드 공룡이 약 1 억 6 천만 년 전에 공중으로 발사했을 때, 그들은 단거리 또는 작은 파열로 펄럭이는 전단지였습니다. 그러나 몇 가지 예외만으로도 공룡에서 내려온 10,000 종 이상의 조류가 우아한 비행 기계로 진화하여 우아한 활공 및 곡예 기동이 가능합니다. 이러한 종류의 기동성은 불안정성을 통제 할 수있는 이점을 가져야합니다.
현대 조류는 너무 기동성이 있기 때문에 생물 학자들은 자신이 점점 더 불안정 해졌다 고 진화했다고 가정했습니다. 하비는“전투기와 같은 새들 이이 불안정성에 기뻐하는 것은 정말 빠른 기동을 수행하는 것으로 믿어졌다”고 말했다. "그리고 그것이 우리가 아직 복제 할 수없는 이런 식으로 새들이 날아가는 이유입니다."
그러나 연구원들은 그들이 본 종 중 하나 인 꿩이 완전히 불안정하다는 것을 발견했습니다. 4 종은 완전히 안정적이었고, 스위프와 비둘기를 포함한 17 종은 날개를 변형시켜 안정적이고 불안정한 비행으로 전환 할 수있었습니다. Harvey는“실제로 우리 가보고있는 것은이 새들이 더 많은 전투기와 같은 스타일과 더 많은 승객과 같은 스타일 사이를 바꿀 수 있다는 것입니다.
그녀의 팀의 추가 수학적 모델링은 조류의 불안정성을 향상시키기보다는 안정성과 불안정성에 대한 잠재력을 유지하고 있다고 제안했습니다. 연구 된 모든 조류에서 Harvey의 팀은 선택 압력이 동시에 정적 마진을 유지하고 있다는 증거를 발견했습니다. 결과적으로 새들은 안정적인 모드에서 불안정한 모드로 전환하여 필요에 따라 비행 속성을 변경할 수 있습니다.
.현대 항공기는 공기 역학 및 관성 특징이 더 고정되어 있기 때문에 그렇게 할 수는 없지만 두 가지 매우 다른 제어 알고리즘이 필요하기 때문입니다. 불안정한 비행은 충돌을 피하기 위해 끊임없이 수정하는 것을 의미합니다. 플로리다의 Archbold Biological Station의 행동 생태 학자이자 조류 생태학 프로그램 책임자 인 Reed Bowman은 새들이 비슷한 일을해야하며“그와 관련된 수준의 인식이 있어야한다”고 말했다.
Smithsonian Institution의 고생물학과의 Dinosauria 큐레이터 인 Matthew Carrano는“사람들은 진화를 연구하는 한 조류의 기원을 이해하려고 노력해 왔습니다. 그리고 비행의 복잡성과 그것을 해체 할 수없는 우리의 주요 장애물이되었습니다.
그를 가장 놀라게하는 것은 새들이 안정된 비행 모드와 불안정한 비행 모드 사이를 이동할 수있는 능력을 가지고 있다는 것입니다. 꿩과 같은 일부 종은 그렇지 않은 것 같습니다. 그는 그 종들이 결코 진화하지 않았는지 또는 어느 시점에서 능력을 잃어버린 지 궁금해한다.
더 나은 항공기 구축
새들이 습득 한 많은 공중제비, 회전 및 급락하는 기동은 누구나 승객 항공기에서 경험하고 싶어하는 사람이 아닙니다. 그러나 UAV 또는 드론으로도 알려진 미세한 공중 차량은 과감한 기동을 만들기 위해 더 자유롭고 군사, 과학, 레크리에이션 및 기타 용도에 대한 인기가 높아지는 것이 더 많은 기회를 창출하고 있습니다.
하비의 연구를보고 즉시 엔지니어링 그룹에 보냈던 Bhattacharya는“이것은 더 많은 기동성 UAV를 생성하는 좋은 단계입니다. 오늘날 대부분의 UAV는 고정 날개 항공기이며,이 항공기는 감시 임무와 농업 목적에 적합합니다. 몇 시간 동안 효율적으로 날아가 수천 킬로미터를 통과 할 수 있기 때문입니다. 그러나 그들은 취미 주의자들 사이에서 인기있는 깨지기 쉬운 쿼드 콥터 드론의 기동성이 부족합니다. Airbus와 NASA의 연구원들은 날개 달린 항공기에 대한 새로운 디자인을 꿈꾸고 있습니다.
Taylor와 그의 팀은 조류가 비행을 배우면서 복잡한 작업을 수행하는 능력을 얻는 방법을 분석하기를 희망합니다. 연구원들이 이러한 기동을 실제로 이해할 수 있다면, 엔지니어는 언젠가 새로운 전단지 설계에 AI를 포함시켜 외모뿐만 아니라 비행 행동을 배울 수있는 능력을 모방 할 수 있습니다.
.그녀는 캘리포니아 대학교 (University of California)의 새로운 실험실을 설립하면서 데이비스 (Davis)에 따르면, 하비 (Harvey)는 기본 연구에서 조류 비행에 대한 기본 연구에서 드론 및 비행기 설계 및 제조, 제조 및 제조에 이르기까지 미래의 연구가 어디에 있는지 결정하고 있습니다. 그러나 먼저, 그녀는 두 개의 매우 다른 분야의 경계에서 일하는 것에 열정적 인 공학 및 생물학 학생 팀을 구축하기 위해 노력하고 있습니다.
.하비는“저는 엔지니어링 내에서 전적으로 꽃이 피고 있다고 생각하지 않습니다. 그녀가 생물학의 가장자리에서 일하기 시작했을 때, 그녀는 더 창의적 일 수 있다고 생각했습니다. 이제 많은 엔지니어링 동료들의 실망으로, 그녀는 새 인물을 완성하기 위해 오랜 시간을 보냅니다. "나는 절반의 시간을 그리는 데 소요한다"고 그녀는 말했다. "정말로 내 관점이 바뀌 었습니다."
