Chào các bạn! Hãy tưởng tượng bạn đang đứng trong một khu rừng tối tăm ở Alaska trước bình minh. Phía trên cao, một chú sóc nhỏ lao ra từ một cây thông cao vút và biến mất vào bóng tối.

Nó không vỗ cánh như chim, cũng không rơi xuống một cách bất lực giữa không trung. Thay vào đó, nó lướt nhẹ nhàng qua khu rừng, vượt qua quãng đường có thể gấp hơn 100 lần chiều dài cơ thể trước khi đến được một cây khác.

Loài động vật du mục đáng kinh ngạc này là sóc bay phương Bắc. Mặc dù tên gọi là vậy, nó thực sự không thể bay. Tuy nhiên, những gì nó làm được lại ấn tượng không kém: nó thực hiện những cú lượn có kiểm soát bằng cách sử dụng các cấu trúc giải phẫu chuyên biệt và các động tác bay phức tạp đã được hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa.

Sinh ra để bay, không chỉ để leo cây

Bí quyết cho khả năng bay lượn của sóc bay nằm ở cấu trúc gọi là màng cánh, một lớp màng rộng trải dài giữa hai chân trước và chân sau. Khi sóc xòe chân, lớp da mềm dẻo này sẽ bung ra thành một bề mặt khí động học lớn. Không giống như các loài sóc cây thông thường, chủ yếu dựa vào leo trèo và nhảy, sóc bay biến đổi cơ thể của chúng thành những chiếc tàu lượn sống. Màng cánh thu nhận luồng không khí và tạo ra lực khí động học giúp nâng đỡ trọng lượng của con vật trong quá trình hạ cánh.

Một sự thích nghi quan trọng không kém được tìm thấy gần cổ tay. Sóc bay sở hữu các phần sụn nhô ra kéo dài ra ngoài khi lượn. Những cấu trúc này hoạt động phần nào giống như các thiết bị đầu cánh trên máy bay, giúp ổn định luồng không khí và giảm nhiễu loạn xung quanh mép màng. Kết quả là khả năng lượn được kiểm soát và hiệu quả hơn. Một màng thứ hai kéo dài giữa hai chân sau và đuôi giúp tăng cường sự ổn định hơn nữa. Thay vì hoạt động như một chiếc dù đơn giản, toàn bộ hệ thống hoạt động cùng nhau như một nền tảng trên không có khả năng điều chỉnh cao.

Khoa học đằng sau khả năng lướt phi thường

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu cho rằng sóc bay chỉ đơn giản là lướt trong không khí ở một góc độ ổn định. Các nghiên cứu thực địa tốc độ cao đã tiết lộ một thực tế phức tạp hơn nhiều. Khả năng lướt của chúng bao gồm một số giai đoạn riêng biệt, mỗi giai đoạn đều liên quan đến việc điều chỉnh liên tục tư thế và lực khí động học. Gia tốc ban đầu này rất quan trọng. Giống như máy bay cần tốc độ trước khi cánh của nó hoạt động hiệu quả, sóc cần luồng không khí di chuyển qua màng của nó để tạo ra lực hỗ trợ khí động học đáng kể.

Ngay sau khi phóng đi, con sóc bước vào giai đoạn mà các nhà khoa học mô tả là cú lao dốc đạn đạo. Trong giai đoạn này, trọng lực đẩy con vật lao xuống trong khi cú nhảy tạo ra động lượng hướng về phía trước. Màng chân chưa tạo ra lực nâng đáng kể, cho phép tốc độ tăng lên nhanh chóng.

Chuyển sang giai đoạn bay hiệu quả

Khi vận tốc tăng lên, sóc xòe rộng hết cỡ các chi và bắt đầu giai đoạn bay lượn. Tại thời điểm này, lực nâng trở nên mạnh hơn đáng kể. Các nhà nghiên cứu phân tích các cú lượn trong tự nhiên đã quan sát thấy rằng con vật dần dần xoay cơ thể từ vị trí gần như nằm ngang sang tư thế thẳng đứng hơn. Sự thay đổi này làm thay đổi hướng của các lực khí động học tác động lên cơ thể.

Lực nâng tăng dần giúp chống lại trọng lực hiệu quả hơn, làm giảm tốc độ rơi. Thay vì rơi thẳng đứng, con sóc bắt đầu di chuyển ngang qua tán rừng theo một quỹ đạo bằng phẳng hơn nhiều. Khả năng này mang lại những lợi thế sinh thái to lớn.

Thay vì liên tục leo xuống leo lên cây để tìm kiếm thức ăn, sóc có thể di chuyển hiệu quả giữa các địa điểm xa nhau trong khi vẫn tiết kiệm được năng lượng. Ở các khu rừng phía bắc, nơi nấm là một phần quan trọng trong chế độ ăn của chúng, việc di chuyển nhanh chóng trên diện tích rộng có thể cải thiện hiệu quả tìm kiếm thức ăn.

Kiểm soát chính xác trước khi hạ cánh

Giai đoạn ấn tượng nhất diễn ra trong giai đoạn tiếp cận cuối cùng. Khi sóc đến gần đích, nó tăng góc thân mình lên đáng kể. Lực nâng tăng mạnh trong khi lực cản khí động học trở nên có ảnh hưởng hơn. Cả hai lực này cùng nhau làm chậm con vật và giảm tốc độ va chạm.

Các nhà nghiên cứu đã ghi lại những lần lướt trong đó đường bay cong lên một chút ngay trước khi hạ cánh. Động tác này cho phép con sóc chuyển từ chuyển động tiến sang vị trí gần như thẳng đứng dọc theo thân cây. Thay vì đâm vào vỏ cây, nó lao tới với độ chính xác đáng kinh ngạc, mở rộng móng vuốt vào giây phút cuối cùng để bám chặt vào bề mặt. Sự kiểm soát như vậy chứng tỏ sóc bay không phải là loài tàu lượn thụ động. Họ chủ động quản lý luồng không khí trong suốt hành trình, liên tục điều chỉnh tư thế để lái, phanh và định vị để hạ cánh an toàn.

Tại sao khả năng lượn lại tiến hóa nhiều lần?

Sóc bay không phải là loài động vật có vú duy nhất thích nghi với việc di chuyển trên không. Khả năng lượn đã tiến hóa độc lập nhiều lần ở các loài động vật có vú, bao gồm cả sóc bay Úc, colugo và một số nhóm khác. Sự xuất hiện lặp đi lặp lại của chiến lược này cho thấy những lợi ích tiến hóa mạnh mẽ.

Việc lướt trên không giúp giảm thiểu nhu cầu leo ​​trèo tốn nhiều năng lượng, cho phép tiếp cận các nguồn thức ăn phân bố rải rác trên diện tích rộng lớn, và giúp động vật tránh phải xuống mặt đất nơi có nhiều kẻ săn mồi rình rập. Việc ở lại trên tán cây có thể giảm đáng kể nguy cơ gặp nguy hiểm đồng thời mở rộng phạm vi di chuyển. Đối với một loài động vật có vú nhỏ sống về đêm di chuyển trong rừng rậm, những lợi thế này có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể về khả năng sống sót.

Các kỹ sư có thể học được gì từ sóc bay

Sóc bay phương Bắc không chỉ mang lại sự hấp dẫn về mặt sinh học. Các kỹ sư nghiên cứu chuyển động của chúng đang tìm ra những bài học quý giá cho công nghệ của con người. Khả năng thay đổi lực nâng và lực cản thông qua những điều chỉnh tinh tế trên cơ thể có thể truyền cảm hứng cho những cải tiến trong dù, bộ đồ bay và máy bay không người lái.

Không giống như các máy bay thông thường phụ thuộc nhiều vào động cơ và cấu trúc cứng nhắc, sóc bay đạt được khả năng điều khiển đáng kinh ngạc bằng cách sử dụng các bề mặt linh hoạt và năng lượng tối thiểu. Các máy bay không người lái trong tương lai được thiết kế để giám sát rừng, khảo sát môi trường hoặc các nhiệm vụ tìm kiếm cứu nạn có thể kết hợp các nguyên tắc tương tự, cho phép chúng di chuyển hiệu quả trong môi trường phức tạp trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Lần tới khi bạn hình dung về một con sóc, bạn có thể tưởng tượng một con vật đang chạy thoăn thoắt trên cành cây. Nhưng ẩn sâu trong những khu rừng phía bắc là một loài có khả năng thực hiện những pha nhào lộn trên không khiến các nhà khoa học và kỹ sư đều kinh ngạc.