Kolibrier är de enda fåglarna som kan flyga i sidled och bakåt, tack vare en evolutionär funktion i deras muskuloskeletala struktur. (Shutterstock)

Är evolution den bästa uppfinnaren? Med hundratals miljoner års arbete och den naturliga världen som sin duk, verkar det vara så.

Från de vattenhållande kamelerna i öknen till de långflygande albatrosserna i havet har evolutionen utformat djurens förmågor att bäst hjälpa dem att överleva och frodas.

Min forskarutredning utforskar några av evolutionens mest imponerande uppfinningar, av vilka många finns i fåglar. Specifikt studerar jag fågelflygbeteenden och hur förhållanden mellan kroppsmassa, vingstorlekar, artrelationer och andra biologiska egenskaper har utvecklats för att generera den extravaganta flykten vi ser i många arter.

Dessa uppfinningar är så extraordinära att vi studerar dem för att tillämpa deras design i vardagstekniken.

Ta till exempel den snabba och exakta flygningen av en kolibri som har hjälpt oss att utveckla flyganordningar som också kan komplicera manöver. Eller en uggles stealthy flight, som har informerat utformningen av tysta och effektiva vindkraftverk. I båda fallen hämtar biomimikry inspiration från naturliga uppfinningar till design och förbättring av vår nuvarande teknik.

Exakta manövrar

Kolibrier är några av världens minsta fåglar. De har små, lätta överkroppar med relativt stora vingar som gör att de kan flyga anmärkningsvärt snabbt med otrolig precision. Men många typer av fåglar har stora vingar, så vad skiljer kolibrierna när det gäller deras fantastiska manöverbarhet?

Hemligheten ligger i deras muskler och ben.

kolibrier kräver stora vingmuskler för att kontinuerligt klappa sina vingar snabbt under flygningen, känd som en hög vingslagfrekvens. Hög vingslagfrekvens gör att kolibrier kan utföra sin unika svävande flygning, särskilt under deras sommarbesök i dina blommor och matare i trädgården.

Slow-motion video av kolibrier under flykt.

{vembed Y=gJ_T_Y1rxHw}

Kolibrier behöver stora mängder energi att flyga kontinuerligt och samla mat. Dessutom är anpassningen av ett långt bröstben den perfekta ytan som behövs för vingmusklerna: ju större ytan på bröstbenet, desto mer muskel kan anslutas.

För att sväva flappar kolibrierna sina vingar i form av en åtta figur. Denna wing beat-stil görs möjlig av kontinuerliga "handledsflickor" från deras förkortade armben - en unik egenskap som inte finns i någon annan fågelart. Genom att arbeta tillsammans möjliggör muskler och ben på kolibrier svävande och i sidled och bakåt flygning vid hastigheter på topp 50 km / h.

När forskare tittade på hur muskler och ben av kolibrier samlas för att generera snabb, exakt flykt hos dessa små fåglar, blev de intresserade av om samma mekanismer kunde konstrueras.

Ett exempel på denna inspiration är AeroVironments Nano Hummingbird, utvecklad som en prototyp för US Defense Advanced Research Projects Agency. Nano Hummingbird är en drone-enhet som efterliknar flygeln av kolibrier för att få en smidig, manövrerbar kant.

Dessa drönare kan komma åt oåtkomliga platser och samla information via en bifogad videokamera. Med mer forskning om kolibrisens flygsnoggrannhet och dess vardagliga konsekvenser kan det hända att drönare som effektivt kan undersöka naturliga naturliga territorier hända förr än tidigare trott. Dessa framsteg från drönare kan tillämpas på väderövervakning, pakettransporter och till och med kinematografi.

Tyst flygning

Som rovdjur på natten litar ugglor på sin tysta jaktaktik för att framgångsrikt fånga rov. För att starta under flygning krävs en stor mängd lyftkraft för att komma upp från marken, och mer energi behövs för att stanna i luften. Att generera denna lyftkraft kräver emellertid ugglor att klappa med sina stora vingar. Du kan tänka att att så stora vingar att slå skulle göra en massa ljud och besegra syftet med att vara snygg. Men gör det?

Under flykt skapar rörelsen av en fågelvingar turbulens i luften, vilket gör det bekanta flappande ljudet. Ugglor har dock utvecklat otroliga mekanismer som minskar buller under flygning. Hemligheten ligger i deras fjäderstrukturer.

Ett BBC Earth-experiment som undersöker varför ugglor flyger så tyst.

{vembed Y=d_FEaFgJyfA}

Ugglavingar har fjädrar med skarpa kanter, kallade tagg, längs sina fronter, som är i kontakt med luften under flygning. Dessa tagningar bryter upp luftturbulensen som normalt orsakar vindbrus, vilket minskar bullret som genereras under flygningen. När luft strömmar till baksidan av vingen, minskar fransformiga strukturer - liknande modetrenden - i slutet av fjädrarna ytterligare buller genom att snabbt och effektivt sprida turbulens. Parade med glidflyg, dessa två fjäderstrukturer bidrar starkt till en uggs tyst jakt.

Genom att ta en sida från de tysta flyganpassningarna i ugglor försöker forskare använda liknande turbulensstörande strukturer för att minska bullret från vindkraftverk och fläktar och förbättra deras effektivitet.

Att tillämpa ugggens tysta fjäder-anpassningar till modern turbinteknik lovar effektivare omvandling av vindkraft och belyser hur effektivt det kan vara att integrera våra naturliga och tekniska världar.

Skrapa ytan

Anpassningarna av kolibri och uggelflyg repar bara ytan på naturens uppfinningar. Ytterligare former av biomimik kan hittas i hjärnskakningsförhindrande tekniker inspirerade av hackspettar, tågkonstruktioner formade från näbbarna av kungsfiskare och laserteknik påverkad av arkitekturen i färgglada fågelfjädrar.

Det är tydligt att se hur naturen har inspirerat tekniska framsteg och vikten av att fortsätta utforska dessa underbara naturliga system på jorden.

Om författaren

Ilias Berberi, doktorand, biologi, Carleton University

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.