Ingeniører studerer svævende flagermus og kolibrier i Costa Rica

Hver solopgang i Las Cruces, Costa Rica, River Ingersolls felthold trak ind i junglen for at lægge sidste hånd på næsten usynlige net. En kandidatstuderende i laboratoriet hos David Lentink, assisterende professor i maskinteknik ved Stanford University, Ingersoll havde brug for disse sarte net for at fange, studere og frigive regionens rigelige kolibrier og flagermus - de eneste to hvirveldyr med evnen til at svæve på plads.

"Vi er virkelig interesserede i, hvordan svæveflyvningen udviklede sig, sagde Ingersoll. Nektarflagermus drikker af blomster, som kolibrier gør, så vi vil se, om der er nogen ligheder eller forskelle mellem disse to forskellige taxaer."

Ingersolls net virkede, og han endte med at undersøge over 100 individuelle kolibrier og flagermus, dækker 17 kolibrier og tre flagermusarter, under sit feltstudie, resultaterne, som gruppen offentliggjorde i Videnskabens fremskridt .

Gennem en kombination af højhastighedskameraoptagelser og aerodynamiske kraftmålinger, han og hans medforskere fandt ud af, at kolibrier og flagermus svæver på meget forskellige måder. Alligevel fandt de også ud af, at nektarflagermusens svævning deler nogle ligheder med kolibrissvæveriet - hvilket frugtflagermus ikke deler. Dette tyder på, at de udviklede en anden metode til at svæve sammenlignet med andre flagermus for at drikke nektar.

Ud over at lære mere om flagermus og kolibrier, Lentink og andre kan anvende det, de har lært, på tekniske problemer, som at designe flyvende robotter. Ingeniører har allerede skabt robotter inspireret af kolibrier og flagermus, men har ikke vidst, hvilken af ​​de naturlige modstykker til disse robotter, der svæver mest effektivt.

Holder øje med hver eneste fjer

Det er nemt at forestille sig, hvordan et flyvende dyr støtter sig selv ved at blafre nedad, men for at undgå overdreven vippen op og ned, svævende dyr skal bevare denne støtte, mens de også flagrer opad. Kolibrier og flagermus opnår denne bedrift ved at dreje deres vinger bagud på opslaget, konstant at skubbe luft nedad for at holde dem konstant oppe.

"Hvis du ser blandt hvirveldyr, der er to, der kan svæve på en vedvarende måde, " sagde Lentink. "Det er kolibrier og nektarflagermus. Og du finder begge dele i neotroperne, ligesom Costa Rica."

For at studere disse emner, Ingersoll samarbejdede med et mangeårigt fuglebåndsprojekt drevet af Stanford-økologer i Las Cruces. Lån fugle og flagermus fra deres projekt, han placerede hvert dyr i et flyvekammer udstyret med aerodynamiske kraftsensorer i toppen og bunden af ​​kammeret - udstyr udviklet af Lentinks laboratorium til at måle ekstremt små ændringer i lodret kraft ved 10, 000 gange i sekundet. Disse plader er så følsomme, at de fangede de lodrette kræfter produceret af hver drejning og flagren af ​​kolibrier, der vejede så lidt som 2,4 gram.

Ved at synkronisere disse kraftmålinger med flere højhastighedskameraer, der optager ved 2, 000 billeder i sekundet, forskerne kunne isolere et hvilket som helst øjeblik af deres forsøgspersoners flyvninger for at se, hvordan det løft, de genererede, var relateret til formen på deres vinger.

"Jeg sad og ventede på, at kolibrien skulle spise ved blomsten. Når den først fodrede, Jeg ville udløse kameraerne og kraftmålingerne, og vi ville få fire sekunders optagelser af kolibrien, der flagrer mod blomsten, sagde Ingersoll.

Efter deres korte ophold i flyvekammeret, Ingersoll returnerede fuglene og flagermusene, hvor de blev fanget, og satte dem fri. Hele processen tog mellem en og tre timer.

Forskellige måder at svæve på

Forskerne fandt ud af, at flagermusene og kolibrierne alle udøvede en lignende mængde energi i forhold til deres vægt under disse flyvninger, men at kolibrierne, frugtflagermus og nektarflagermus svævede alle på meget forskellige måder. Kolibrierne svævede på en mere aerodynamisk effektiv måde end flagermusene - kolibrierne genererede mere løft i forhold til modstand. Ved sammenligning af vingeformer, forskerne fandt, at denne effektivitet er sandsynlig, fordi kolibrierne nemmere vender deres vinger. Selvom flagermusene kæmpede med at vende vingerne, de udøvede en sammenlignelig mængde energi, fordi de har større vinger og større slag.

Forskerne var overraskede over at opdage, at nektarflagermus, som sideler op til blomster som kolibrier, genereret mere opadgående kraft, når vingerne løftede sig end frugtflagermus. Ser man på deres vingeform, forskerne fandt ud af, at nektarflagermus kan vride deres vinger meget mere end frugtflagermus på opslaget. Så nektarflagermusens svævende form er som en blanding af frugtflagermus og kolibriers svævende.

Forskerne planlægger at bygge videre på disse resultater som en del af deres arbejde med flaksende robotter og droner, men Lentink ser også potentiale for mere arbejde ud over laboratoriet.

"Da Rivers foreslog at lave denne undersøgelse i Costa Rica, et feltstudie var noget, jeg aldrig havde håbet på. Nu, han inspirerede mig virkelig, " sagde Lentink. "Der er omkring 10, 000 arter af fugle, og de fleste af dem er aldrig blevet undersøgt. Det lyder som et for stort studie at gå i gang med, men det er det, jeg drømmer om."