Ученые определили, как птицы парят на большой высоте

Перелетные птицы часто используют теплые восходящие потоки воздуха, чтобы набирать высоту с минимальными затратами энергии при дальних перелетах. Это поведение, известное как парение в термиках, требует принятия сложных решений в турбулентной среде восходящего столба теплого воздуха от нагретой солнцем поверхности Земли.

До сих пор было неизвестно, как именно птицы ориентируются в этой постоянно меняющейся среде для оптимизации парения. Группа физиков и биологов из Калифорнийского университета в Сан-Диего провела точное компьютерное моделирование этой проблемы.

В онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences ученые с помощью математических моделей показали, как пилоты планеров могли бы парить эффективнее, переняв стратегии обучения, которые птицы используют для навигации в термиках.

"О навигационных стратегиях, используемых птицами в этих сложных условиях, известно относительно мало, в основном потому, что прошлые вычислительные исследования рассматривали парение в нереалистично упрощенных ситуациях", — пояснил профессор физики Массимо Вергассола.

Чтобы решить эту проблему, он и его коллеги, включая профессора нейробиологии Терренса Сейновски, объединили численное моделирование атмосферных потоков с "алгоритмами обучения с подкреплением" — уравнениями, изначально разработанными для моделирования поведения и улучшения результатов животных, обучающихся новой задаче. Эти алгоритмы обучали планер навигации в сложных турбулентных условиях на основе обратной связи о его парящих характеристиках.

По словам Сейновски, "архитектура обучения с подкреплением" была такой же, как у программы DeepMind AlphaGo от Google, которая наделала шуму в 2016 году, победив профессионального игрока в го Ли Седоля.

Применяя ее к парению, исследователи учитывали угол крена и угол атаки крыльев планера, а также то, как колебания температуры внутри термика влияют на вертикальную скорость.

"Ощущая два сигнала окружающей среды — вертикальное ускорение ветра и крутящий момент — планер способен подниматься и оставаться в ядре термика, где подъемная сила, как правило, наибольшая. Это приводит к улучшению парящих характеристик даже при наличии сильных турбулентных флуктуаций", — сказал Вергассола. — "По мере роста уровня турбулентности планер может избежать потери высоты, принимая все более консервативные, не склонные к риску стратегии полета, например, продолжая движение по тому же пути, а не совершая поворот".

На трехмерных цветных графиках ученые проиллюстрировали, как необученный планер (слева) принимает случайные решения и снижается, в то время как обученный планер (справа) учится использовать характерные спиральные траектории в областях сильных восходящих потоков, как это наблюдается у парящих птиц и планеров.

Исследователи пишут в своей статье, что, согласно их исследованию, "крутящий момент и вертикальные ускорения", по-видимому, являются сенсомоторными сигналами, которые наиболее эффективно направляют самый эффективный путь парения птиц через термики, а не разница температур.

"Было конкретно показано, что температура дает незначительный выигрыш", — пишут они, добавляя, что "датчик температуры можно безопасно исключить из приборов для автономных летательных аппаратов".

"Наши результаты проливают свет на процессы принятия решений, которые птицы могут использовать для успешной навигации в термиках в турбулентных условиях", — сказал Вергассола. — "Эта информация может помочь в разработке простых механических приборов, которые позволят автономным планерам преодолевать большие расстояния с минимальным потреблением энергии".

"Высокие показатели парящих характеристик, продемонстрированные в условиях моделируемой турбулентности, могут привести к разработке энергоэффективных автономных планеров", — сказал Сейновски.