Искусственные препятствия на дамбе и ИИ помогают изумрудным нотрописам добраться до озера Эри
Исследователи из Университета в Буффало наблюдают за 24-футовым лотком с мелкой проточной водой. Внутри около дюжины мелких рыб-изумрудных нотрописов яростно пытаются плыть против течения.
У нотрописов это плохо получается.
Эти крошечные рыбы-жертвы могут поддерживать скорость плавания около 0.4 метров в секунду (с рывками до 0.8 м/с), но течение в лотке также около 0.4 м/с, поэтому, несмотря на все усилия, рыбы остаются на месте.
Однако какая-то сила начинает объединять этих разрозненных рыб. Группа из двух особей присоединяется к группе из восьми, которая затем объединяется с группой из четырех. Только когда все 14 нотрописов плывут вместе в плотном строю, они наконец начинают двигаться вверх по течению.
Видео этого эксперимента будет загружено в инструменты искусственного интеллекта, которые могут отслеживать движение отдельных рыб, а также скорость воды.
Такие данные легли в основу строительства в 2022 году неограниченного рыбопропускного сооружения вдоль дамбы в буффаловском Парке Свободы, расположенном возле Моста Мира. Десять стальных трапециевидных перегородок (баффлов), прикрепленных к стене, замедляют скорость течения реки Ниагара, позволяя изумрудным нотрописам легче плыть вверх по течению к озеру Эри, где они вносят вклад в здоровье экосистемы, включая находящихся под угрозой птиц и промысловых рыб.
Эти результаты описаны в исследовании, опубликованном в журнале Ecological Engineering.
Теперь Инженерный корпус армии США готовится установить перегородки на оставшиеся 700 футов дамбы. Проект стоимостью 5–10 миллионов долларов в настоящее время выставлен на торги.
Помимо помощи диким изумрудным нотрописам и остальной экосистеме реки Ниагара, продолжающиеся эксперименты исследователей из UB с лотком и ИИ могут пролить свет на фундаментальные аспекты поведения всех рыб.
«Мы пытаемся понять, что определяет движение рыбы из точки А в точку Б. Она реагирует на скорость потока или турбулентность? Или на что-то еще?» — говорит один из исследователей, Шон Беннетт, доктор философии, профессор кафедры географии UB и заместитель декана Колледжа искусств и наук UB.
«Я убежден, что в момент, когда две рыбы видят друг друга в лотке, их поведение меняется. Правильно или нет, я думаю, все рыбы реагируют друг на друга».
Сбор данных для строительства рыбопропускного сооружения
Изумрудные нотрописы, или Notropis atherinoides, имеют длину примерно с палец. Их обычно используют в качестве наживки.
«Несмотря на их размер, они имеют решающее значение для поддержания другой дикой природы в реке Ниагара и Великих озерах», — говорит Беннетт.
Инженерная дамба в Парке Свободы ранее была определена как барьер для миграции нотрописов к озеру Эри. Средние по глубине скорости течения у дамбы составляют от 0.8 до 1.2 метров в секунду, что намного быстрее поддерживаемой скорости плавания изумрудных нотрописов.
Решением казалось создание неограниченного рыбопропускного канала вдоль стены с более низкими скоростями, но насколько низкими? И будут ли нотрописы им пользоваться?
Беннетт и его команда ответили на эти вопросы с помощью своего рециркуляционного лотка. Эта конструкция, созданная Кевином Каллинаном из Инструментальной мастерской Колледжа искусств и наук, может имитировать реальные водные среды и использовалась для изучения всего — от эрозии почвы до того, как морские мидии формируют русла рек.
«Было бы практически невозможно провести это исследование в полевых условиях. Изумрудные нотрописы — чрезвычайно хрупкие рыбы, поэтому имплантация любого вида отслеживающего устройства исключена», — говорит Беннетт, который управляет лотком. «Кроме того, мы можем гарантировать, что наши результаты точны и воспроизводимы, и именно этого научное сообщество ожидает от экспериментальных исследований».
Еще одно преимущество лотка в том, что он позволил исследователям использовать ИИ для анализа положения рыб относительно перегородок и скорости воды. Используя видео, снятое камерой, установленной над лотком, модель обнаружения объектов правильно идентифицировала рыб в кадре в 94% случаев. Видео также использовалось для определения скорости путем отслеживания движения частиц в воде.
«По одному видеоизображению мы можем определить местоположение рыбы и мгновенное поле потока вокруг этой рыбы», — говорит Адам Гродек, аспирант кафедры географии и член исследовательской группы.
После экспериментов модель обнаружила свидетельства того, что рыбы в лотке в целом плыли вверх по течению и к перегородкам и предпочитали оставаться рядом с ними.
Опираясь на эти данные, перегородки были установлены в Парке Свободы (ранее известном как Парк Бродерика).
Результаты исследования показывают, что перегородки снизили скорости прибрежного течения примерно до 0.4–0.6 метров в секунду, что находится в приемлемом диапазоне скоростей для нотрописов. Большое количество нотрописов наблюдалось плывущим вверх по течению вдоль перегородок дамбы, тогда как нотрописы вдали от стены были замечены подавленными течением и снесенными вниз по течению.
Изучение основ поведения рыб
Совместное плавание в косяке помогает рыбам уменьшить сопротивление и легче преодолевать бурные воды. Это похоже на движение стаи птиц или даже истребителей строем для улучшения аэродинамики.
Но откуда рыбы знают, как это делать?
Это один из фундаментальных вопросов, на который команда Беннетта теперь пытается ответить с помощью лотка и ИИ.
Беннетт и Гродек сотрудничают с Джозефом Аткинсоном, доктором философии, профессором кафедры гражданского, строительного и экологического инжиниринга Школы инженерии и прикладных наук. Среди других партнеров — Инженерный корпус армии США, округ Буффало, и Университет штата Нью-Йорк в Буффало.
Команда в настоящее время обучает модель обнаружения объектов отслеживать рыб даже при их движении по пересекающимся траекториям. После сбора данных будет построена агентная модель для имитации этого движения.
«Это похоже на изучение того, как люди покинули бы кинотеатр, если бы кто-то крикнул "пожар". Вы можете создать правила взаимодействия агентов с другими агентами как способ навигации в этом пространственном домене», — сказал Беннетт.
Ученым еще многое неизвестно о том, как рыбы координируют свои движения для поддержания формы косяка. Реагируют ли они на движения других рыб или просто следуют по пути с меньшей турбулентностью?
«Мы еще не знаем, в какой степени группы рыб меняют свое поведение», — говорит Беннетт. «Нас очень интересует, как отделить поведение отдельной рыбы и его переход к групповому поведению».