Höghastighetskameror avslöjar hur kolibrier kan vända sig på ett tiotal kronor
Kolibrierna är fågelvärldens jaktpiloter, De dyker och väver i hastigheter på upp till 55 kilometer i timmen och vänder sedan på ett ögonblick för att sväva i luften med frenetiskt slagna vingar när de tankar nektar. Nu har forskarna genom herkuliska ansträngningar kommit ett steg närmare att ta reda på vad som gör djuren så smidiga. Det nya arbetet hjälper inte bara till att förklara deras komplexa koreografi, utan kan också leda till mer manövrerbara robotar och drönare.
Biologer har mätt hur snabbt kolibrier kan flyga och hur länge de kan sväva, men manövrerbarhet – allt det där fram och tillbaka – är ”notoriskt svårt att studera”, säger Peter Wainwright, en evolutionsbiolog vid University of California (UC), Davis, som inte var delaktig i det nya arbetet. Det beror på att ”det handlar om en komplicerad uppsättning möjliga rörelser och att de är mycket spontana”.
Det stoppade inte Paolo Segre, som då var doktorand vid University of British Columbia i Vancouver, Kanada. Han bestämde sig för att försöka genom att filma kolibrier i det vilda, som är mindre hämmade när det gäller att flyga än sina motsvarigheter i fångenskap. För att förbereda sig ägnade han större delen av ett år åt att finslipa och miniatyrisera ett datorkoordinerat system med fyra kameror för höghastighetsfilmning.
Två månader senare var Segre i Peru. Han och hans team vandrade uppför berg och kröp genom djungeln för att hitta den perfekta platsen. När de väl hade slagit läger byggde de en stor bur utrustad med det soldrivna kamerasystemet och började testa kolibrierna, en efter en. Forskarna filmade varje fågel i cirka 30 minuter när den fladdrade mellan sittpinnar och besökte en nektarfodringsstation inuti. Sedan släppte de fågeln och upprepade processen. Segre och hans team satte upp stationer på tre andra platser: de ecuadorianska Anderna och hög- och lågt belägna läger i Costa Rica.
Det var inte lätt att få fram data. I Peru svärmade lagets testplats av armémyror i två dagar i sträck. I Costa Rica var Segre och hans kollegor tvungna att vada över krokodilangripna vatten – på natten mitt i ett åskväder. ”Vi blev mest skrämda av blixten”, minns Segre, som nu är ekofysiolog vid Stanford University i Palo Alto, Kalifornien. Forskarna gjorde så småningom videofilmer av 207 fåglar tillhörande 25 arter.
När de väl hade uppgifterna utvecklade Segres laboratoriekollega, den postdoktorala Roslyn Dakin, som nu arbetar vid Smithsonian Migratory Bird Center i Washington, D.C., tillsammans med sina kollegor en sofistikerad mjukvara för att analysera dem. Eftersom det fanns fyra kameror kunde forskarna rekonstruera flygmönstret för varje fågel i tre dimensioner och mäta antalet gånger den accelererade, bromsade, vände, rullade, svävade eller dök, bland andra manövrar. Var och en av dessa enkla rörelser upprepades och kombinerades till förutsägbara mönster. ”Mer komplexa manövrar bestod av sekvenser av enklare manövrar”, förklarar Segre.
När forskarna jämförde flygmönster mellan olika arter fann de att var och en av dem tenderade att hålla sig till de manövrar den var bäst på (något som särskilt gäller för svängar). Men de blev förvånade över att konstatera att tyngre kolibriarter generellt sett var bättre på att accelerera och göra snäva svängar. Baserat på studier av fåglar och fladdermöss hade teamet förväntat sig raka motsatsen. ”Men större kolibriarter var faktiskt mer manövrerbara”, säger Dakin. Orsaken: Hon och hennes kollegor rapporterar idag i Science.
Flera andra tendenser framkom. Manövreringsbeteenden som skiljde sig åt från art till art kom i allmänhet att bero på strukturella och fysiologiska egenskaper som vingstorlek, vingyta, vikt och muskelmassa. När teamet slutligen grupperade fåglarna utifrån deras flygmönster fann de att klustren återspeglade kolibriernas släktträd: Närmare besläktade arter hade liknande flygmönster.
Dakin säger att denna nya ”ram” för manövrerbarhet skulle kunna hjälpa robotforskare att förstå hur de kan finjustera sina flygare så att de blir mindre klumpiga och ömtåliga. Särskilt användbar är kolibriernas förmåga att generera snabba vingrörelser, vilket bidrar till smidighet, säger Andrew Biewener, biomekaniker vid Harvard University. Som ett resultat av detta, tillägger Robert Dudley, organismbiolog vid UC Berkeley, studerar nu till och med fler ingenjörer än biologer djurens flygning.