Energy savings and wake dynamics are conducive to position and flapping phase adaptation in bird formation flight
通过对自主扑翼飞行器的高保真模拟，本研究表明，鸟类通过将自身定位在距离领先者约一个翼展的下游位置，并使自身的扑翼动作与领先者的尾流同步，以利用下扑过程中的上洗流，从而在编队飞行中实现高达13.7%的能量节省，这揭示了这些益处主要是由两两相互作用而非复杂的多元体动力学所驱动的。
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那些为了繁殖或觅食而飞行数千英里的鸟类面临着一个残酷的身体挑战：阻碍它们前进的空气阻力，以及克服这种阻力所需的能量。为了在这些漫长的旅途中生存下来，许多物种会以有组织的群体进行飞行，将自己排列成线形或V字形。几十年来，科学家们一直知道这种编队飞行可以节省能量，但其运作的具体机制一直有些神秘。这种益处来自于前方的鸟留下的气流。当一只鸟扇动翅膀时，它向下推动空气以提升自身，这一动作会产生在身后拖曳着的旋涡状气流，被称为“涡流”。在这些旋涡管的侧面，空气是向上流动的。跟随的鸟可以把自己置于这股上升的气流中，这实际上为它提供了免费的升力，减少了它扇动自身翅膀所需的努力。然而，由于扇动翅膀会创造出一种不断变化的、波浪状的空气流，而非稳定的气流，因此要准确确定鸟儿应该在何时、何地通过捕捉上升气流来飞行，一直是一个难题。
比利时鲁汶大学（UCLouvain）的一个研究小组现在利用先进的计算机模拟技术，绘制出了这些看不见的气流图，并确定了鸟类遵循以实现能量节省最大化的精确规则。该团队并没有依赖只能推测能量消耗量的心率监测器或GPS追踪器，而是构建了一个详细的北非秃鹳（Northern Bald Ibis，一种大型迁徙鸟类）的数字模型。他们模拟了鸟类的骨骼、羽毛以及围绕其翅膀旋转的复杂空气物理学。通过运行数千次模拟，他们让一只虚拟的“跟随者”鸟相对于“领导者”鸟尝试不同的位置和扇动节奏，观察气流如何变化以及跟随者节省了多少能量。
研究表明，节省能量的秘诀在于一种非常特定的时机与位置的配合，尽管研究人员避免称之为“舞蹈”。他们发现，当跟随者鸟位于领导者后方约一个翼展处，并略微偏向一侧（距离约为领导者翼展的0.9倍）时，能节省最多的能量——高达13.7%。至关重要的是，跟随者必须将其扇动翅膀的节奏与领导者翅膀产生上升气流的特定时刻相匹配。模拟显示，跟随者需要将其下扑动作（即产生最大升力的部分）与领导者下扑产生的涡流经过的瞬间同步。当跟随者的翅膀在用力对抗空气的最强时刻，恰好撞上最强的向上推力时，升力矢量会向前倾斜，起到类似微小推力的作用。这种对齐使得鸟类能以更少的努力获得更多的升力。
然而，研究人员也发现了鸟类为什么不进行像飞机那样长距离拉伸成线的飞行。由扇动翅膀的鸟所留下的旋涡气流并不稳定；随着远离鸟体，这些气流会发生扭曲、变形和扩散。模拟显示，随着鸟与鸟之间距离的增加，这些气流会失去其清晰的结构。帮助跟随者的上升气流会变得更弱且更无序，跟随者能够捕捉到这种有效推力的时间窗口也会随之缩减。虽然固定翼飞机可以在极长距离内利用气流，但由于扇动翅膀的非稳态特性，能量收益会迅速消退。这项研究表明，鸟类之所以只能进行紧凑的编队飞行，是因为有益的气流在远离目标后无法持续存在。
当研究人员将模拟扩展到更大的鸟群时，他们发现，益处主要取决于一只鸟与其正前方那只鸟之间的关系。虽然处于大型鸟群中间的鸟看起来似乎被来自四面八方的辅助气流所包围，但来自较远鸟类的空气往往会相互抵消或变得过于微弱而无济于事。最显著的节省来自于直接的前驱鸟。有趣的是，位于编队最前端的鸟也会获得一点好处，因为其后方的鸟类会产生一种向前的轻微上升推力。这解释了为什么即使是V字形编队中的领头鸟也不是完全没有收益。研究结论指出，在真实鸟群中观察到的精确间距和时机并非随机的社交行为，而是经过精细调整的物理策略。通过将它们的翅膀与邻居创造出的特定、转瞬即逝的上升气流对齐，这些鸟类将扇动飞行的混沌湍流转化为了一个高效的长途旅行系统。
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