Kolibry są jedynymi ptakami, które potrafią latać na boki i do tyłu dzięki ewolucyjnym cechom ich budowy mięśniowo-szkieletowej. (Shutterstock)

Czy ewolucja jest najlepszym wynalazcą? Z setkami milionów lat pracy i światem przyrody jako płótnem, mogłoby się tak wydawać.

Od zatrzymujących wodę wielbłądów pustynnych po długo latające albatrosy morskie, ewolucja ukształtowała zdolności zwierząt, które najlepiej pomagają im przetrwać i rozwijać się.

Moje badania podyplomowe badają niektóre z najbardziej imponujących wynalazków ewolucji, z których wiele można znaleźć u ptaków. W szczególności badam zachowania ptaków podczas lotu oraz to, jak związki między masą ciała, rozmiarami skrzydeł, pokrewieństwem gatunkowym i innymi cechami biologicznymi ewoluowały, aby wygenerować ekstrawagancki lot, który obserwujemy u wielu gatunków.

Te wynalazki są tak niezwykłe, że badamy je, aby zastosować ich projekt w codziennej technologii.

Weźmy na przykład szybki i precyzyjny lot kolibra, który pomógł nam opracować latające urządzenia, które są również zdolne do skomplikowanych manewrów. Albo ukradkowy lot sowy, który przyczynił się do zaprojektowania cichych i wydajnych turbin wiatrowych. W obu przypadkach biomimikra czerpie inspirację z naturalnych wynalazków, aby projektować i ulepszać nasze obecne technologie.

Precyzyjne manewry

Kolibry to jedne z najmniejszych ptaków na świecie. Posiadają małe, lekkie torsy ze stosunkowo dużymi skrzydłami, które pozwalają im latać niezwykle szybko z niesamowitą precyzją. Ale wiele gatunków ptaków ma duże skrzydła, więc co wyróżnia kolibry, jeśli chodzi o ich niesamowitą manewrowość?

Sekret tkwi w ich mięśniach i kościach.

Kolibry wymagają dużych mięśni skrzydeł, aby stale szybko machać skrzydłami podczas lotu, znany jako wysoka częstotliwość uderzeń skrzydeł. Wysoka częstotliwość uderzeń skrzydeł pozwala kolibrom wykonywać swój wyjątkowy lot zawisu, szczególnie podczas letnich wizyt w kwiatach i przydomowych karmnikach.

Film w zwolnionym tempie przedstawiający kolibry w locie.

{vembed Y=gJ_T_Y1rxHw}

Kolibry potrzebują duże ilości energii do ciągłego lotu i zbieraj jedzenie. Dodatkowo adaptacja długiej kości klatki piersiowej jest idealną powierzchnią potrzebną dla mięśni skrzydłowych: im większa powierzchnia kości klatki piersiowej, tym więcej mięśni można połączyć.

Aby unosić się w powietrzu, kolibry trzepoczą skrzydłami w kształcie ósemki. Ten styl bicia skrzydeł jest możliwy dzięki ciągłe „ruchy nadgarstkiem” od skróconej kości ramienia — unikalna cecha niespotykana u żadnego innego gatunku ptaków. Pracując razem, mięśnie i kości kolibrów pozwalają na zawisanie oraz lot bokiem i tyłem w prędkości osiągające 50 km/h.

Kiedy naukowcy przyjrzeli się, w jaki sposób mięśnie i kości kolibrów łączą się, aby wygenerować szybki i precyzyjny lot u tych maleńkich ptaków, zainteresowali się, czy te same mechanizmy można by skonstruować.

Przykładem tej inspiracji jest Nano Hummingbird firmy AeroVironment, opracowany jako prototyp dla amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony. Nano Hummingbird to dron, który naśladuje lot kolibrów, aby uzyskać zwinną, zwrotną przewagę.

Te drony mogą uzyskać dostęp do niedostępnych miejsc i zbierać informacje za pomocą dołączonej kamery wideo. Dzięki większej liczbie badań nad precyzją lotu kolibrów i jej codziennymi implikacjami, posiadanie dronów, które mogą skutecznie badać naturalne niezbadane terytoria, może nastąpić wcześniej, niż wcześniej sądzono. Te udoskonalenia dronów można zastosować do monitorowania pogody, wysyłki paczek, a nawet kinematografii.

Cichy lot

Jako nocne drapieżniki, sowy polegają na cichej taktyce polowania, aby skutecznie chwytać zdobycz. Wystartowanie w locie wymaga dużej siły nośnej, aby oderwać się od ziemi, a więcej energii jest potrzebne do utrzymania się w powietrzu. Wytworzenie tej siły nośnej wymaga jednak od sów machania dużymi skrzydłami. Można by pomyśleć, że trzepotanie tak dużymi skrzydłami spowoduje mnóstwo hałasu, niwecząc cel ukrywania się. Ale czy tak jest?

Podczas lotu ruch skrzydeł ptaka tworzy turbulencje w powietrzu, które wydają znajomy dźwięk trzepotania. Jednak sowy wykształciły niesamowite mechanizmy, które redukują hałas podczas lotu. Sekret tkwi w ich pierzastych strukturach.

Eksperyment BBC Earth badający, dlaczego sowy latają tak cicho.

{vembed Y=d_FEaFgJyfA}

Skrzydła sowy mają pióra o ostrych krawędziach, zwanych ząbkami, na przodzie, które podczas lotu mają kontakt z powietrzem. Te ząbki rozbijają turbulencje powietrza, które normalnie powodują szum wiatru, zmniejszając hałas generowany podczas lotu. Gdy powietrze przepływa do tyłu skrzydła, struktury przypominające frędzle — podobne do trendu w modzie — na końcu piór dodatkowo redukują hałas, szybko i skutecznie rozpraszając wszelkie turbulencje. W połączeniu z lotem szybowcowym, te dwie struktury z piór silnie przyczyniają się do spokojnego polowania sowy.

Biorąc jedną stronę z adaptacji cichego lotu u sów, naukowcy próbują wykorzystać podobne struktury zakłócające turbulencje do zmniejszyć hałas wytwarzany przez turbiny wiatrowe i wentylatory oraz poprawić ich wydajność.

Zastosowanie cichych adaptacji piór sowy do nowoczesnej technologii turbinowej obiecuje bardziej wydajną konwersję energii wiatru i podkreśla, jak skuteczna może być integracja naszego naturalnego i technologicznego świata.

Zarysowania powierzchni

Adaptacje lotu kolibra i sowy tylko zarysowują powierzchnię wynalazków natury. Dodatkowe formy biomimikry można znaleźć w technologiach przeciwwstrząsowych inspirowanych dzięciołami, projektach pociągów ukształtowanych z dziobów zimorodków oraz technologii laserowej inspirowanej architekturą kolorowych ptasich piór.

Widać wyraźnie, w jaki sposób natura zainspirowała postęp w technologii i jak ważna jest kontynuacja eksploracji tych wspaniałych systemów naturalnych na Ziemi.

O autorze

Ilias Berberi, doktorant, biologia, Uniwersytet Carleton

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.