Каждый восход солнца в Лас-Крусес, Коста-Рика, полевая команда реки Ингерсолл отправлялась в джунгли, чтобы довести до ума почти невидимые сети. Аспиранту лаборатории Дэвида Лентинка, доцента кафедры машиностроения Стэнфордского университета, Ингерсоллу понадобились эти тонкие сети, чтобы ловить, изучать и выпускать многочисленных колибри и летучих мышей - единственных двух позвоночных, способных зависать на месте.
«Нам действительно интересно, как развивался парящий полет», - сказал Ингерсолл. «Летучие мыши пьют нектар из цветов, как колибри, поэтому мы хотим выяснить, есть ли какие-либо сходства или различия между этими двумя разными таксонами».
Сети Ингерсолла сработали, и в ходе своего полевого исследования он изучил более 100 отдельных колибри и летучих мышей, охватив 17 видов колибри и три вида летучих мышей, результаты которого группа опубликовала в журнале Science Advances.
Благодаря сочетанию кадров с высокоскоростной камеры и измерений аэродинамической силы, он и его коллеги-исследователи обнаружили, что колибри и летучие мыши парят совершенно по-разному. Тем не менее, они также обнаружили, что зависание нектарных летучих мышей имеет некоторое сходство с зависанием колибри, чего нет у летучих мышей. Это говорит о том, что они развили другой метод парения по сравнению с другими летучими мышами, чтобы пить нектар.
Помимо изучения летучих мышей и колибри, Лентинк и другие могут применить полученные знания для решения инженерных задач, таких как проектирование летающих роботов. Инженеры уже создали роботов, вдохновленных колибри и летучими мышами, но пока не знают, какие из естественных аналогов этих роботов парят наиболее эффективно.
За каждым перышком
Несложно представить, как летающее животное поддерживает себя, взмахивая крыльями вниз, но чтобы избежать преувеличенного раскачивания вверх и вниз, парящие животные должны поддерживать эту опору, взмахивая крыльями вверх. Колибри и летучие мыши совершают этот подвиг, закручивая крылья назад при взмахе вверх, постоянно толкая воздух вниз, чтобы постоянно держаться в воздухе.
«Если вы посмотрите среди позвоночных, есть два, которые могут зависать в течение длительного времени», - сказал Лентинк. «Это колибри и нектарные летучие мыши. И тех, и других вы найдете в неотропиках, например, в Коста-Рике».
Чтобы изучить эти предметы, Ингерсолл сотрудничал с давним проектом по кольцеванию птиц, проводимым стэнфордскими экологами в Лас-Крусесе. Заимствуя птиц и летучих мышей из их проекта, он поместил каждое животное в полетную камеру, оснащенную датчиками аэродинамической силы в верхней и нижней части камеры - оборудование, разработанное в лаборатории Лентинка для измерения чрезвычайно малых изменений вертикальной силы с частотой 10 000 раз в секунду.. Эти пластины настолько чувствительны, что улавливали вертикальные силы, возникающие при каждом повороте и трепетании колибри, которые весили всего 2,4 грамма.
Синхронизировав эти измерения силы с несколькими высокоскоростными камерами, записывающими со скоростью 2000 кадров в секунду, исследователи смогли изолировать любой момент полета своих испытуемых, чтобы увидеть, как создаваемая ими подъемная сила связана с формой их тела. крылья.
Я сидел и ждал, пока колибри поест цветок. Как только он начал кормиться, я включил камеры и замеры силы, и мы получили четыре секунды кадра, на котором колибри хлопает крыльями перед цветком. цветок, - сказал Ингерсолл.
После их короткого пребывания в летной камере Ингерсолл вернул птиц и летучих мышей туда, где они были пойманы, и выпустил их. Весь процесс занял от одного до трех часов.
Разные способы наведения
Исследователи обнаружили, что летучие мыши и колибри тратили одинаковое количество энергии относительно своего веса во время этих полетов, но колибри, фруктовые летучие мыши и нектарные летучие мыши зависали совершенно по-разному. Колибри парили более аэродинамически эффективно, чем летучие мыши - колибри создавали большую подъемную силу по сравнению с сопротивлением. Сравнивая формы крыльев, исследователи обнаружили, что эта эффективность, вероятно, связана с тем, что колибри легче переворачивают крылья. Хотя летучие мыши с трудом переворачивали крылья, они прилагали сравнимое количество энергии, потому что у них большие крылья и более крупные взмахи.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что нектарные летучие мыши, которые подбираются к цветам, как колибри, генерируют большую восходящую силу, когда крылья поднимаются, чем фруктовые летучие мыши. Глядя на форму их крыльев, исследователи обнаружили, что летучие мыши-нектарники могут скручивать свои крылья гораздо сильнее, чем фруктовые летучие мыши при движении вверх. Таким образом, парящая форма нектарных летучих мышей похожа на смесь летучих мышей и колибри.
Исследователи планируют опираться на эти результаты в рамках своей работы над машущими роботами и дронами, но Лентинк также видит потенциал для дальнейшей работы за пределами лаборатории.
«Когда Риверс предложил провести это исследование в Коста-Рике, я никогда не надеялся на полевое исследование. Теперь он действительно вдохновил меня», - сказал Лентинк. «Существует около 10 000 видов птиц, и большинство из них никогда не изучались. Звучит как слишком большое исследование, чтобы начинать его, но это то, о чем я мечтаю».
Дополнительными соавторами являются Лукас Хайцманн из Бременского университета, который посетил лабораторию Lentink Lab для стажировки и исследования для магистерской диссертации. Лентинк также является членом Stanford Bio-X и Stanford Neurosciences Institute, а также филиалом Stanford Woods Institute for the Environment. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и Городским научно-техническим центром передового опыта в области аэронавтики и астронавтики имени короля Абдулазиза в Стэнфорде.
Видео: