Snelheidscamera’s onthullen hoe kolibries op een dubbeltje kunnen draaien
Kolibries zijn de gevechtspiloten van de vogelwereld, Ze duiken en weven met snelheden tot 55 kilometer per uur en draaien dan op een dubbeltje om in de lucht te blijven hangen, hun vleugels razend snel slaand, terwijl ze nectar bijtanken. Dankzij een enorme inspanning zijn onderzoekers er nu een stapje dichterbij gekomen om uit te zoeken wat de dieren zo behendig maakt. Het nieuwe werk helpt niet alleen hun complexe choreografie te verklaren, maar kan ook leiden tot meer wendbare robots en drones.
Biologen hebben geklokt hoe snel kolibries kunnen vliegen en hoe lang ze kunnen zweven, maar wendbaarheid – al dat heen en weer zoeven – is “notoir moeilijk te bestuderen,” zegt Peter Wainwright, een evolutiebioloog aan de University of California (UC), Davis, die geen deel uitmaakte van het nieuwe werk. Dat komt omdat “het gaat om een ingewikkelde reeks van mogelijke bewegingen, en het is zeer spontaan.”
Dat hield Paolo Segre, toen een afgestudeerde student aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Canada, niet tegen. Hij besloot het te proberen door kolibries in het wild te filmen, die minder geremd zijn over vliegen dan hun soortgenoten in gevangenschap. Om zich voor te bereiden, besteedde hij het grootste deel van een jaar aan het perfectioneren en miniaturiseren van een computer-gecoördineerd systeem met vier camera’s om met hoge snelheid te filmen.
Twee maanden later, was Segre in Peru. Hij en zijn team trokken bergen op en drongen door oerwouden om de perfecte plek te vinden. Toen ze eenmaal een kamp hadden opgezet, bouwden ze een grote kooi met een camerasysteem op zonne-energie en begonnen ze de kolibries een voor een te testen. De onderzoekers filmden elke vogel ongeveer 30 minuten terwijl hij tussen de zitstokken fladderde en een nectar-voedingsstation binnen bezocht. Daarna lieten ze de vogel gaan en herhaalden het proces. Segre en zijn team zetten stations op drie andere locaties op: de Ecuadoriaanse Andes, en hoog- en laaggelegen kampen in Costa Rica.
Het verkrijgen van de gegevens was niet gemakkelijk. In Peru, werd de test site van het team overspoeld met legermieren gedurende 2 dagen. In Costa Rica moesten Segre en zijn collega’s door met krokodillen besmet water waden, ’s nachts, midden in een onweersbui. “We waren vooral doodsbang voor de bliksem,” herinnert Segre zich, nu ecofysioloog aan de Stanford University in Palo Alto, Californië. De wetenschappers maakten uiteindelijk video’s van 207 vogels, behorend tot 25 soorten.
Toen ze de gegevens eenmaal hadden, ontwikkelde Segre’s labgenoot, postdoc Roslyn Dakin, nu bij het Smithsonian Trekvogelcentrum in Washington, D.C., samen met haar collega’s geavanceerde software om ze te analyseren. Omdat er vier camera’s waren, konden de onderzoekers het vluchtpatroon van elke vogel in drie dimensies reconstrueren, door het aantal keren te meten dat de vogel versnelde, vertraagde, draaide, rolde, vloog of dook, naast andere manoeuvres. Elk van die eenvoudige bewegingen werd herhaald en gecombineerd tot voorspelbare patronen. “Meer complexe manoeuvres waren opgebouwd uit opeenvolgingen van eenvoudigere manoeuvres,” legt Segre uit.
Toen de onderzoekers de vliegpatronen van de verschillende soorten vergeleken, ontdekten ze dat elke soort de neiging had om vast te houden aan de manoeuvres waar ze het beste in was (iets wat vooral gold voor bochten). Maar ze waren verbaasd te ontdekken dat zwaardere kolibriesoorten over het algemeen beter waren in versnellen en het maken van scherpe bochten. Op basis van studies bij vogels en vleermuizen had het team juist het tegenovergestelde verwacht. “Maar grotere kolibriesoorten waren juist wendbaarder,” zegt Dakin. De reden: Die grotere hummers hadden relatief grotere spieren en vleugels dan kleinere soorten, melden zij en haar collega’s vandaag in Science.
Er kwamen verschillende andere trends naar voren. Manoeuvreergedrag dat verschilde van soort tot soort kwam over het algemeen neer op structurele en fysiologische kenmerken zoals vleugelgrootte, vleugeloppervlak, gewicht, en spiermassa. Tenslotte, toen het team de vogels groepeerde op basis van hun vliegpatronen, ontdekten ze dat de clusters de stamboom van de kolibrie weerspiegelden: Meer verwante soorten hadden vergelijkbare vluchtpatronen.
Dakin zegt dat dit nieuwe wendbaarheids “kader” robotici kan helpen begrijpen hoe ze hun vliegers kunnen tweaken om minder onhandig en fragiel te zijn. Bijzonder nuttig is het vermogen van kolibries om snelle vleugelbewegingen te genereren, wat helpt bij de wendbaarheid, zegt Andrew Biewener, een biomechanicus aan de Harvard University. Als gevolg hiervan, voegt Robert Dudley, een bioloog van organismen aan de UC Berkeley, bestuderen nu zelfs meer ingenieurs de vlucht van dieren dan biologen.