Chociaż to ptaki były inspiracją dla amerykańskich pionierów lotnictwa ‒ braci Wright, to nawet nie możemy marzyć o tym, by samoloty naśladowały lot trzepoczących skrzydeł tych stworzeń. Pomimo znaczącego rozwoju technologii w ciągu ostatniego stulecia, skrzydła samolotów i odrzutowców są generalnie w nieruchome. Czy możemy dowiedzieć się czegoś więcej z trzepoczącego lotu ptaków? Czy te same mechanizmy co u ptaków działają w mniejszej skali także u niewielkich rozmiarów owadów? W jaki sposób nietoperze tak dobrze latają, skoro posiadają skrzydła o zupełnie innej budowie niż ptaki?1 To tylko kilka z rzeczy, których inżynierowie mogą dowiedzieć się od biologów badających lot zwierząt.
Kolibry
Ceniony przez wszystkich ptak ujawnił pewną sztuczkę ‒ chodzi o wykonanie zwrotu w powietrzu. W artykule Modulation of Flight Muscle Recruitment and Wing Rotation Enables Hummingbirds to Mitigate Aerial Roll Perturbations [Modulacja skurczu mięśni lotu i rotacji skrzydeł umożliwia kolibrom łagodzenie zaburzeń podczas wykonywania zwrotu w locie] opublikowanym w czasopiśmie „Current Biology” Sridhar Ravi i współpracy opisują ten majstersztyk2. Aby wykonać manewr zwrotu ‒ wiążący się z nieustannymi, trudnymi perturbacjami ‒ koliber potrzebuje zmienić trajektorię ruchu skrzydeł (z zakreślania 8 na manewr owalny), zmienić pozycję sterówek ogona oraz użyć różnych mięśni lewego i prawego skrzydła. Musi to być umiejętność wrodzona, ponieważ młode ptaki opanowują ją już za pierwszym podejściem. Według Raviego i współpracowników:
Ptaki zwiększyły także stabilizację lotu, dostosowując postawę ciała względem ogona, tak aby uzyskać większą powierzchnię nośną zamiast generować niepożądane turbulencje ciągnące je w dół. Wyniki naszych badań zapewniają wgląd w niezwykłą zdolność kolibrów do utrzymania kontroli lotu, a także bioinspirację dla prostych, ale skutecznych strategii kontroli, które mogłyby pozwolić latającym robotom stawić czoło nieznanym i trudnym warunkom podczas lotu w realnym świecie3.
Sowy
Jak relacjonuje „Nature”, płomykówki uzyskują dodatkową siłę nośną dzięki ich charakterystycznemu ogonowi składającemu się ze sterówek. Ten dwuminutowy film pokazuje, jak zachodzi ów proces.
Naukowcy z Londynu wypełnili tunel lotny tysiącami małych banieczek mydlanych, aby zademonstrować ruch powietrza wywołany przez przelatującą sowę. Zgodnie z oczekiwaniami, pod końcówkami skrzydeł utworzyły się zawirowania powietrza zapewniające siłę nośną. Niespodziewanie pod krańcem ogona powstały kolejne wiry przyczyniające się do dodatkowej nośności ptaka. Jak pokazuje nagranie, umiejętność ta pozwoliła zmniejszyć opór aerodynamiczny. Niewielkie szybowce do utrzymania równowagi w locie (stabilności lotu) używają statecznika. Natomiast sowa może szybko skoordynować swoje ciało wraz z ogonem i skompensować straty, a dzięki temu uzyskać maksymalną nośność przy minimalnym oporze. Jak zauważono w filmie: „Inżynierowie są w stanie naśladować te zręczne zachowania, aby wykorzystać je w procesie aktywnej stabilizacji statków powietrznych”4.
Ptaki i owady
Drony to jeden z ostatnich krzyków mody dla każdego, począwszy od hobbystów aż po rządy. Małe drony stają w obliczu aerodynamicznych wyzwań, z którymi nie radzą sobie ciężkie statki powietrzne. Badacze z Uniwersytetu Brown opracowali dość zaskakujący projekt skrzydła, bowiem nie posiada ono zakrzywionego profilu lotniczego z przodu. Swój pomysł zaczerpnęli od ptaków i owadów.
W nowym skrzydle gładki kontur znajdujący się na czołowych krawędziach standardowych skrzydeł zastąpiono grubą spłaszczoną płytką z ostrą krawędzią natarcia. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ale okazuje się, że konstrukcja w skali małych dronów ma wyraźne zalety aerodynamiczne. W artykule opublikowanym w „Science Robotics”5 naukowcy pokazują, że nowe skrzydło w obliczu nagłych podmuchów i innych rodzajów turbulencji jest znacznie bardziej stabilne niż standardowe skrzydła małych samolotów, u których wiatry destabilizują lot. Skrzydło zapewnia również aerodynamiczną wydajność lotu, co przekłada się na lepszą żywotność baterii i dłuższy czas lotu6.
Wraz z postępem badań, naukowcy odkryli, że warstwa graniczna (cienka warstwa powietrza, która styka się bezpośrednio ze skrzydłem), pełna wirów i turbulencji u dużych samolotów, charakteryzuje się przepływem laminarnym. Turbulencja pełni funkcję pomocniczą, dzięki której warstwa graniczna przylega do skrzydeł dużych samolotów. Jednak przepływ laminarny łatwo odłącza się od płaskiego skrzydła, powodując niestabilność. Biomimetyczna konstrukcja bezkolizyjnych skrzydeł utrzymuje turbulencję w stałym punkcie, zapobiegając oderwaniu, nawet gdy podmuch wiatru uderzy w dany obiekt latający. Rezultatem jest płynny wzrost nośności i lepsza wydajność. W jakiś sposób ptaki i owady zdołały to wszystko pojąć…
Migracja owadów
W „Scientific Reports”, czasopiśmie o otwartym dostępie należącym do Nature Research, Charlotte Wainwright i współpracownicy przedstawiają wyniki swoich badań dotyczących zjawiska masowej migracji małych owadów w górnych warstwach atmosfery. W artykule Linking Small-Scale Flight Manoeuvers and Density Profiles to the Vertical Movement of Insects in the Nocturnal Stable Boundary Layer [Związek między niewielką aktywnością lotną w profilu gęstości a ruchem pionowym owadów w stabilnych nocą warstwach granicznych] omawiają aerodynamiczne wyzwania, przed którymi stoją owady podczas swoich nocnych migracji. Ich maleńkie skrzydełka mają odpowiednią konstrukcję dla tego typu wyzwań.
Ruchy powietrza w nocnej warstwie granicznej (ang. NBL) stanowią bardzo odmienne wyzwanie dla migrujących owadów w porównaniu z tymi, które dotyczą lotu w typowej warstwie granicznej dnia. Stwierdziliśmy jednak, że modelowanie stochastyczne Lagrange’a jest skuteczne w przewidywaniu manewrów lotniczych w obu przypadkach. Kluczową cechą przemieszczania się owadów w NBL jest częste tworzenie się cienkiej warstwy szybko poruszającego się powietrza ‒ strumienia niskiego poziomu. Modelowanie sugeruje, że owady mogą szybko reagować, aby przeciwdziałać pionowym ruchom powietrza, a mechanizm ten wyjaśnia, w jaki sposób owady utrzymują się w strumieniu powietrza przez dłuższy czas (np. przez noc i prawdopodobnie przez kilka godzin wczesnego poranka)7.
Korzystając z lidaru (rodzaj radaru o wysokiej częstotliwości wykorzystujący promienie podczerwone zamiast fal radiowych), naukowcy byli w stanie wykryć masowe migracje owadów w górę, które odbywały się mniej więcej godzinę po zachodzie słońca w Oklahomie. Dzięki lidarowi mogli dostrzec chmury owadów w powietrzu i byli w stanie je śledzić.
Otwarte przestrzenie Wielkich Równin znajdują się na „szlaku powietrznym Missisipi”, gdzie owady migrujące nocą unoszą się w ciepłym południowym strumieniu niskich wiatrów, łatwo pokonując odległości kilkuset kilometrów podczas nocnego lotu8.
Migrujące owady to mszyce (bezrąbkowce)9 oraz motyle nocne. Lecą masowo w górę do tak zwanej „warstwy owadów” będącej na wysokości około kilometra, gdzie nocą przenoszone są w atmosferze przez strumienie prądów powietrznych. Aby jednak tam się dostać, te małe biologiczne samoloty muszą lecieć pionowo bez pomocy prądów konwekcyjnych lub wstępujących. Choć są lekkie, to i tak są cięższe od powietrza i bez dodatkowej pomocy nie byłyby w stanie wznieść się w górę. Wainwright i współpracownicy podają:
Średni pionowy ruch powietrza ku górze w tym czasie jest bliski zeru (~0,03 m s−1, godzinę po zachodzie słońca), co stanowi około jednej dziesiątej prędkości własnego wzlotu (~0,2 m s−1), do którego zdolne są te małe owady migrujące, a nasze dane pokazują, że średnia szybkość wzlatywania owadów w całym badanym dwumiesięcznym okresie podczas głównego okresu wznoszenia mającego miejsce w okolicach zmierzchu wynosi 0,07 m s−1. Potwierdza to wcześniejsze założenia, że te małe migrujące owady o aktywności zmierzchowej wzbijają się w powietrze przy minimalnym wsparciu atmosferycznym, w przeciwieństwie do małych owadów migrujących w dobrze wymieszanej w ciągu dnia konwekcyjnej warstwie granicznej, korzystających z pomocy termicznej8.
Preferują one migrację nocną, ponieważ warstwa graniczna nie jest tak wysoko jak w ciągu dnia. W rezultacie ogromne ilości maleńkich owadów około godziny po zachodzie słońca wylatują w niebo chmarami wprost na szlak prądów powietrznych, które przenoszą je w ciągu całej nocy na duże odległości.
Zjawisko „warstwy owadów” jako poruszających się istot żywych na duże odległości jest analogiczne do codziennego wznoszenia się i opadania planktonu oceanicznego, co przyczynia się do mieszania wód oceanicznych10. Te małe stworzenia za pomocą własnych pływek również muszą przemieszczać się na znaczne odległości. Migracje te nie są jednak biernymi procesami napędzanymi wyłącznie przez prądy11. Mamy tutaj do czynienia z formami życia, które aktywnie uczestniczą w swojej podróży. W jaki sposób poznały jednak, gdzie i kiedy mają podróżować.
Latanie szlakami atmosferycznymi również nie jest czymś prostym dla owadów. Muszą one szybko reagować na turbulencje, podmuchy wiatru i inne komplikacje, które dynamicznie zmieniają warstwy graniczne. Podniebni lotnicy są jednak na to gotowi. Lecą jednym korowodem!
Modelowanie sugeruje, że owady mogą szybko reagować, aby przeciwdziałać pionowym ruchom powietrza, a ten mechanizm wyjaśnia, w jaki sposób migrujące owady utrzymują się w strumieniu przez dłuższy czas (np. w ciągu nocy i prawdopodobnie przez kilka godzin wczesnego poranka). Umożliwia to przemieszczanie się na znacznie dłuższe dystanse niż w warunkach prądów konwekcyjnych8.
Czy nie jest niezwykłe to, że tak małe skrzydełka są w stanie wykorzystywać naturalne prądy powietrza i warstwy graniczne, które tworzą się pomiędzy nocą a dniem? Nie byłoby to możliwe bez wyrafinowanych zdolności do lotu i umiejętności zaprojektowanych w każdym z tych malutkich stworzeń.
Inspiracja dla serca
I chociaż zastanawianie się nad fenomenem tych występujących w przyrodzie mistrzów lotu cięższych od powietrza musi być kłopotliwe dla darwinisty, to biolog ewolucyjna Pamela Yeh uwielbia swoją pracę polegającą na obserwacji ptaków. Na łamach „Nature” przedstawione zostały badania młodej biolożki, ukazując ją w kampusie UCLA z lornetką podczas obserwacji populacji miejskich junko (z rzędu wróblowych).
Większość moich prac jest wykonywana na terenie kampusu UCLA […]. Jeżdżę też z moimi studentami w góry Kalifornii, aby zobaczyć, jak wygląd i zachowanie junko różnią się w zależności od ich naturalnego i miejskiego środowiska. Jest coś tak radosnego, tak cudownego w czasie prowadzenia badań ptaków na terenie kampusu, że czasami wydaje mi się, iż właśnie tutaj poznałam mały sekret świata przyrody. Wtedy czuję niesamowity śpiew w moim sercu12.
Wydaje się, że jedynymi ewolucyjnymi aspektami występującymi w jej badaniach są te dotyczące niewielkich różnic między blisko spokrewnionymi gatunkami – czyli mikroewolucja. „To niesamowite, że mogę chodzić z jednego budynku do drugiego i oglądać nasze ptaki – dodaje biolożka. ‒ To mi przypomina, że natura nie jest czymś, do czego chodzimy, ale czymś, gdzie nieustannie się znajdujemy. To dla mnie bardzo inspirujące”.
Evolution News
Oryginał: Intelligent Design in Birds, Insects Inspires Aeronautics and More, „Evolution News & Science Today” 2020, February 19 [dostęp 9 IX 2020].
Przekład z języka angielskiego: Przemysław Maksymowicz
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 9.10.2020
Przypisy
- Por. Bats as Fighter Pilots, „Evolution News & Science Toady” 2016, April 28 [dostęp 16 VII 2020].
- Por. S. Ravi et al., Modulation of Flight Muscle Recruitment and Wing Rotation Enables Hummingbirds to Mitigate Aerial Roll Perturbations, „Current Biology” 2020, Vol. 30, No. 1, s. 1‒9 [dostęp 3 IV 2020].
- Ravi et al., Modulation of Flight Muscle, s. 1 (przyp. tłum.) [wyróżnienie dodane].
- S. Bundell, Birds Gliding Through Bubbles Reveal Aerodynamic Trick, „Nature” 2020 [dostęp 3 IV 2020].
- Por. M. Di Luca et al., A Bioinspired Separated Flow Wing Provides Turbulence Resilience and Aerodynamic Efficiency for Miniature Drones, „Science Robotics” 2020, Vol. 5, Issue 38, s. 1‒9.
- K. Stacey, Researchers Develop New Bio-inspired Wing Design For Small Drones, „Brown.edu” 2020 [dostęp 3 IV 2020] [wyróżnienie dodane].
- Ch. Wainwright et al., Linking Small-Scale Flight Manoeuvers and Density Profiles to the Vertical Movement of Insects in the Nocturnal Stable Boundary Layer, „Scientific Reports” 2020, Vol. 10, No. 1 [dostęp 03 IV 2020] [wyróżnienie dodane].
- Wainwright et al., Linking Small-Scale Flight [wyróżnienie dodane].
- Rodzina z rzędu Homoptera – pluskwiaków równoskrzydłych (przyp. tłum.).
- Por. Getting Around: Animal Migrations Exceed Evolutionary Expectations, „Evolution News & Science Today” 2017, July 11 [dostęp 17 VII 2020].
- Por. E. Montague et al., TIL: The World’s Largest Migration Isn’t What You Think, „National Geographic” [dostęp 03 IV 2020].
- J. Glausiusz, Birds That Make The Heart Sing, „Nature” 2020, Vol. 578, No. 184 [dostęp 3 IV 2020] [wyróżnienie dodane].
Literatura:
- Bundell S., Birds Gliding Through Bubbles Reveal Aerodynamic Trick, „Nature” 2020 [dostęp 3 IV 2020].
- Getting Around: Animal Migrations Exceed Evolutionary Expectations, „Evolution News & Science Today” 2017, July 11 [dostęp 17 VII 2020].
- Glausiusz J., Birds That Make The Heart Sing, „Nature” 2020, Vol. 578, No. 184 [dostęp 3 IV 2020].
- Luca M. Di et al., A Bioinspired Separated Flow Wing Provides Turbulence Resilience and Aerodynamic Efficiency for Miniature Drones, „Science Robotics” 2020, Vol. 5, Issue 38, s. 1‒9.
- Montague E. et al., TIL: The World’s Largest Migration Isn’t What You Think, „National Geographic” [dostęp 3 IV 2020].
- Ravi S. et al., Modulation of Flight Muscle Recruitment and Wing Rotation Enables Hummingbirds to Mitigate Aerial Roll Perturbations, „Current Biology” 2020, Vol. 30, No. 1, s. 1‒9 [dostęp 3 IV 2020].
- Stacey K., Researchers Develop New Bio-inspired Wing Design For Small Drones, „Brown.edu” 2020 [dostęp 3 IV 2020].
- Wainwright Ch. et al., Linking Small-Scale Flight Manoeuvers and Density Profiles to the Vertical Movement of Insects in the Nocturnal Stable Boundary Layer, „Scientific Reports” 2020, Vol. 10, No. 1 [dostęp 3 IV 2020].