摘要: 飛行中的禿鹮總是小心地觀察其周圍同伴的飛行動(dòng)作，并隨時(shí)調(diào)整自己以利用上升氣流，確保在長途遷徙中最大限度地節(jié)約體力。 蘇格蘭格雷納的八哥鳥群 進(jìn)入十月，又到了鳥類遷徒的高峰期。 “鳥類能擺脫飛行路線的束縛嗎？”美國民謠音樂人鮑勃·迪倫問道。在迪倫的歌詞中，這...
飛行中的禿鹮總是小心地觀察其周圍同伴的飛行動(dòng)作，并隨時(shí)調(diào)整自己以利用上升氣流，確保在長途遷徙中最大限度地節(jié)約體力。
蘇格蘭格雷納的八哥鳥群
進(jìn)入十月，又到了鳥類遷徒的高峰期。
“鳥類能擺脫飛行路線的束縛嗎？”美國民謠音樂人鮑勃·迪倫問道。在迪倫的歌詞中，這只是一個(gè)比喻，指的是失去的愛情。但這句話對鳥類來說確實(shí)沒錯(cuò)。由于鳥類遷徙的復(fù)雜性，從遷徙的航向到群體的動(dòng)力學(xué)，長久以來一直是一個(gè)謎。猜測眾多，卻沒有一個(gè)明確的答案。當(dāng)然，作為大量趨同進(jìn)化例子中的一個(gè)，昆蟲和哺乳動(dòng)物也進(jìn)化出了飛行能力。但鳥類的飛行能力卻讓人尤為著迷而又感到困惑。
“近五六十年，關(guān)于鳥類如何形成V字隊(duì)形的純理論文章大量涌現(xiàn)?！痹趥惗鼗始耀F醫(yī)學(xué)院（London’s?Royal?Veterinary?College，簡稱RVC）研究鳥類飛行的史蒂文·波圖加爾（Steven?Portugal）博士說道?！暗亲罨镜募?xì)節(jié)卻很難獲得，而且數(shù)據(jù)也不完整。從前，人們利用照片和視頻獲得數(shù)據(jù)，但那些并不能提供足夠的精確度，如果人和鳥飛行在同一平面，拍出的照片和視頻會(huì)使高度失真，還會(huì)丟失信息。這種方式僅能提供飛行的截圖，而不是動(dòng)態(tài)影像?！?/p>
當(dāng)研究解釋了最大的問題之一——鳥類為什么及如何呈V字隊(duì)形遷徙之后，禿鹮登上了今年1月16日《自然》雜志的封面。
追蹤
內(nèi)置全球定位系統(tǒng)
荷馬和亞里士多德都對鳥類的遷徙做了詳細(xì)的記錄，但人類對于鳥類飛行能力的興趣甚至可以追溯到很久以前。如果你仔細(xì)研究過史前人類的神話傳說，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，只要人類能看見鳥兒的地方，就會(huì)有關(guān)于鳥類如何飛行以及飛行原因的解釋。在當(dāng)今時(shí)代，關(guān)于解釋鳥類結(jié)群飛行及呈V字形飛行、遷徙的理論比比皆是，但最終答案卻幾乎沒有。隨著創(chuàng)新技術(shù)的使用，對八哥和禿鹮遷徙飛行的新研究顯示，復(fù)雜的飛行動(dòng)力學(xué)以及原先被認(rèn)為是不可能存在于鳥類身上的基于傳感反饋的快速調(diào)整能力，是確實(shí)存在的。
波圖加爾的團(tuán)隊(duì)和RVC的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室一起制作出了一套全新的飛行記錄儀。這種儀器將頻率為300赫茲的加速器與頻率為5赫茲的全球定位系統(tǒng)整合在一起，與此同時(shí)，它的重量很輕，足以安裝在禿鹮身上。這兩種儀器的組合使得研究者能夠準(zhǔn)確地知道禿鹮飛行的地點(diǎn)，以及在高頻振動(dòng)下測量禿鹮翅膀的運(yùn)動(dòng)情況。
發(fā)現(xiàn)
調(diào)整飛行姿態(tài)獲得最大上升氣流
波圖加爾的團(tuán)隊(duì)安裝在禿鹮身上的特制儀器的重量僅占禿鹮體重的不到百分之五，為的是不影響其正常的行為。由加速計(jì)和全球定位系統(tǒng)組合而成的儀器記錄的結(jié)果證明V字隊(duì)形理論是正確的。
該團(tuán)隊(duì)將記錄儀放置在14只成年禿鹮身上，這些禿鹮被一個(gè)動(dòng)物保護(hù)組織帶回它們以前的居處——德國和奧地利。這些鳥兒將被訓(xùn)練如何跟在一架小型飛機(jī)后面呈一定間距按照它們的遷徙路線飛行。大多數(shù)鳴禽都會(huì)本能的按照遷徙路線飛行，較大一些的禽類，比如鵜鶘，仙鶴，鵝以及禿鹮，則需要跟著它們的父母學(xué)習(xí)飛行路線。
記錄儀記錄的長達(dá)45分鐘的飛行數(shù)據(jù)，顯示了一些此前人們確信，但沒有得到最終證明的東西：鳥兒通過調(diào)整翅膀扇動(dòng)的速度以及保持與其他鳥兒的相對位置來最大程度的提高飛行效率。
“最重要的是我們發(fā)現(xiàn)它們不僅將自己置于可能是最好的位置以獲取上升氣流，而且這還是一個(gè)主動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。每一只鳥兒的飛行軌跡都采取與前一只鳥兒相同的路徑，這樣他們就能知道何時(shí)及如何調(diào)整飛行姿態(tài)以獲得最大的上升氣流。”?波圖加爾說道。
結(jié)群飛行中的奇妙數(shù)字“7”
喬治·楊（George??Young）博士是一個(gè)機(jī)械工程師，他仔細(xì)考察了八哥以研究它們最理想的群體行為。不僅是為了解釋這些鳥兒為何及如何結(jié)群飛行的問題，也是因?yàn)檫@些研究成果有助于他對于人工智能的設(shè)計(jì)工作?！拔覀冋谘芯咳绾卧O(shè)計(jì)集成傳感器和機(jī)器人，使他們不花費(fèi)多少代價(jià)就能從事復(fù)雜和智能的任務(wù)。”楊說道。
八哥可以提供楊所需的答案，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)解決了如何在嘈雜環(huán)境下進(jìn)行群體交流的問題。楊稱這種工作為“仿生工程”——用自然界的方法解決眼前的問題。
“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，八哥結(jié)群飛行，每只鳥兒會(huì)注意離它最近的七只八哥的情況，但還不知道它們?yōu)槭裁催@么做”，在研究報(bào)告中，楊和他在普林斯頓的博士生導(dǎo)師以及來自羅馬薩皮恩澤爾大學(xué)的同事達(dá)成共識(shí)：七就是“群落中在凝聚力和個(gè)體行為之間取得優(yōu)化平衡”的數(shù)字。
“基本上，如果鳥僅僅將注意力集中在臨近幾只鳥兒身上，那它就不能在整個(gè)群體中傳遞信息。如果它關(guān)注太多，它只是多花了更多精力而沒有獲得更多的信息。六到七只是鳥在群體中保持交流所需的最少鄰居數(shù)目?！睏钫f道。
目標(biāo)
研制更聰明的機(jī)器人
為了知道這個(gè)最佳數(shù)字的大小，楊一幀一幀地分析了視頻數(shù)據(jù)。群體中每一只鳥的位置和速度都被跟蹤和測算。“我們采用了位置數(shù)據(jù)并用它構(gòu)建了假想的交互網(wǎng)絡(luò)，”楊說道。然后他們很有創(chuàng)意地使用了一些技術(shù)。
Matlab是一個(gè)在應(yīng)力分析和流體力學(xué)工程中廣泛使用的軟件。作為一個(gè)工程師，楊對此很熟悉，但在他對八哥的研究中他用它來模擬生物系統(tǒng)?！拔覀儤?gòu)建了一個(gè)巨大的矩陣結(jié)構(gòu)，每一個(gè)行和列代表一只鳥兒，但Matlab自帶的程序語言能讓我們快速編寫大型計(jì)算程序，就如同那些種群中成百上千的鳥兒一樣。”楊說道。
通過使用工程軟件進(jìn)行生物分析，奇妙的數(shù)字（最佳鄰居數(shù)——7）被發(fā)現(xiàn)了。楊希望將這個(gè)發(fā)現(xiàn)用在處理信號(hào)和噪音的系統(tǒng)中，正如真正的鳥兒一樣。“當(dāng)種群大小和密度在一定范圍內(nèi)——同時(shí)，種群密度的為一般大小時(shí)，鳥群中的最佳鄰居數(shù)是一樣的，這一事實(shí)顯示該數(shù)目可能是逐漸演化來的?！睏钫f道。
一個(gè)工程師可以使用軟件來研究大自然解決問題的方法，最終將研制出更聰明的機(jī)器人，還有比這個(gè)更完美的例子可以表現(xiàn)人類在進(jìn)化中的位置嗎？
稿件及圖片來源：環(huán)球科學(xué)?（《科學(xué)美國人》中文版）
作者：斯塔瑞·瓦爾坦（StarreVartan）
翻譯：張棟
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遷徙雁群改變飛行路線躲避風(fēng)電場
研究表明，粉足雁在遷徙過程中，遇到風(fēng)力發(fā)電場會(huì)繞行，或是從上方飛過。
通過四年來對粉足雁的觀測，研究人員發(fā)現(xiàn)了在新建成的風(fēng)電場附近粉足雁遷徙路線的變化。這個(gè)結(jié)果至少顯示出，這種大雁把風(fēng)電場當(dāng)做一個(gè)威脅，才改變飛行路線來躲避渦輪葉片的。
研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用生態(tài)學(xué)》雜志上。
來自英國食品與藥品研究局的研究人員在粉足雁飛向林肯郡海岸的時(shí)候，用雷達(dá)監(jiān)視了粉足雁群的遷徙。盡管已知這些大雁可以在開闊的環(huán)境中識(shí)別有潛在危險(xiǎn)的建筑物，但是在這項(xiàng)研究之前，還不知道他們躲避障礙的能力有多強(qiáng)。因?yàn)榇笱泔w翔的靈活性相對較小，而且經(jīng)常在晚上遷徙，所以人們猜測，它們撞到風(fēng)力渦輪機(jī)的危險(xiǎn)很大。但是一項(xiàng)新的研究否定了這個(gè)假設(shè)。
從斯凱格內(nèi)斯兩個(gè)近海風(fēng)電場開始建設(shè)起，這個(gè)團(tuán)隊(duì)就一直監(jiān)視大雁的飛行路線，那時(shí)只有渦輪地基建成，最高的渦輪地基只有30米。四年后，這個(gè)風(fēng)電場已經(jīng)建成并且投入使用，研究者追蹤了超過40000只鳥類。盡管氣候條件改變了到英國越冬的鳥類總數(shù)，但是他們找到新的路線以繞過風(fēng)電場。
到風(fēng)電場建成時(shí)，從風(fēng)電場周圍繞行的雁群的比例從52%增加到81%。那些仍然穿過風(fēng)電場的大雁有90%選擇上升到比渦輪葉片更高的地方，避免撞到旋轉(zhuǎn)的葉片上。
由于風(fēng)電場建設(shè)數(shù)量增加的同時(shí)，粉足雁的數(shù)量也在上升，因此研究人員樂觀地認(rèn)為，至少部分野生動(dòng)物可以適應(yīng)英國發(fā)展替代能源。
但是來自英國鳥類學(xué)信托基金會(huì)的露西·賴特博士指出了這項(xiàng)研究的局限性?！八麄冎辉诮５膬蓚€(gè)風(fēng)電場測量了一個(gè)物種的躲避行為，我們不能知道其他的物種在其他的地方表現(xiàn)怎么樣。”
