鳥類如何在強側風下穩定飛行

飛行員依靠無線電信號、先進的計算和工具才能夠在強側風時保持航向，然而鳥類可以自然地做到這一點，即便是在能見度很低的環境中。為了了解鳥類是如何完成這一壯舉的，美國斯坦福大學機械工程助理教授David Lentink實驗室里的研究人員對在橫風隧道中飛行的愛情鳥進行了研究。相關論文發表在7月9日的《美國國家科學院院刊》上，該研究有望為自主飛行機器人開發出更強大、計算效率更高的視覺控制演算法。

這是第一次對鳥類如何在短時間內調整它們的身體、脖子和頭部的方向，從而在45度的極端側風下飛行進行研究。令研究人員驚訝的是，無論是在明亮的視覺環境中，還是在只有微弱光點作為唯一視覺信標的黑暗洞穴環境中，愛情鳥都遊刃有餘。

Lentink實驗室的博士後、現為弗吉尼亞大學助理教授的Daniel Quinn說：「即使是在洞穴環境中，愛情鳥也能在45度的側風下飛行，這太神奇了，因為在自然環境中，它們白天會在開闊的生境內飛行。即使是訓練有素的飛行員，也要依靠跑道燈光、無線電信標和空中交通管制員的指引，才能在有風的夜晚安全著陸。」

Lentink補充說：「這項研究中的條件可能會導致飛行員的空間定向障礙，但愛情鳥在黑暗中完美地完成了動作，就好像沒有任何挑戰一樣。這對整個團隊來說都是一個巨大的驚喜，因為我們研究的是『幼稚』的愛情鳥：它們被飼養在室內的籠子里，沒有在風中飛行的經驗。因此，這種能力很可能是與生俱來的。」

研究人員發現，愛情鳥通過穩定並注視目標來導航，同時向側風傾斜自己的身體。保持航向要求它們的脖子主動彎曲30度或更大角度。根據實驗數據建立的計算機模擬模型表明，當頸部控制處於主動狀態時，身體轉向是被動實現的。一個簡單的機械鳥模型在風洞中進行的進一步測試顯示了它的工作原理。

「飛機有一個垂直的機尾，可以使其穩定地迎風飛行。我們發現了鳥類不需要這一部位的原因：它們扇動的翅膀不僅能夠提供推動力，還會像風向標一樣被動地迎風前進。」 Lentink說。

但這只是故事的一半。與此同時，愛情鳥還會主動彎曲脖子，把頭朝向燈塔。然後，頸部扭轉的量給出了相對於目標方向的風角。這個扭轉的角度對愛情鳥控制朝向目標的飛行是必須的。而當它們這樣做的時候，它們的頭部非常穩定。Quinn說：「很明顯，鳥類前庭系統感知到的重力方向有助於彌補寬視場視野缺失。」

在紅外線下拍攝的鳥類在黑暗中飛行的高速視頻和模型顯示，鳥類不需要寬視場視野或視覺流動（圖像在視網膜上的運動強度）來幫助其在側風中飛行。過去幾十年來在靜止空氣中進行的基於實驗室的運動和神經研究認為兩者都是必需的，而新研究卻給出了不同的答案，當然，研究人員仍然認為，當可用時，豐富的視覺信息在鳥類整合所有感官輸入時發揮著關鍵作用，但這項研究證明了視覺信息並不是必需的。

科界原創

編譯：花花

審稿：西莫

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