Роботы помогли ответить на давний вопрос о том, почему рыбы плавают стаями
Учёные из Института поведения животных Общества Макса Планка (MPI-AB), Констанцского университета и Пекинского университета экспериментально подтвердили, что рыбы экономят энергию, плавая в стаях. Для этого они использовали биомиметических роботов-рыб.
Исследование, опубликованное 26 октября 2020 года в Nature Communications, показало, что рыбы могут использовать водовороты, создаваемые впереди плывущими соседями, следуя простому поведенческому правилу — согласованию фазы с вихрем (vortex phase matching).
Решение с помощью роботов
Чтобы измерить энергозатраты, была создана 3D-роборыба с мягким хвостовым плавником, точно имитирующая движение настоящей рыбы. Роботы позволили напрямую измерить потребление энергии при одиночном плавании и в паре.
Было проведено более 10 000 испытаний, где проверялись все возможные позиции «ведомой» рыбы относительно «лидера». Результаты показали чёткую разницу в энергопотреблении.
Простое правило для стаи
Энергопотребление ведомой рыбы определяется двумя факторами:
- Её расстоянием до лидера.
- Относительным временем взмахов её хвоста по сравнению с хвостом лидера.
Секрет экономии энергии — в синхронизации. Ведомая рыба должна согласовывать взмахи хвоста с лидером с определённой временной задержкой, зависящей от позиции:
- Когда ведомая рыба находится рядом с лидером, эффективнее всего синхронизировать взмахи хвоста.
- Когда ведомая рыба отстаёт, она должна выходить из синхронизации, увеличивая задержку.
Визуализация вихрей
С помощью техники, использующей пузырьки водорода и лазер, исследователи визуализировали водовороты. Оказалось, что рыбы могут использовать эти вихри не только для экономии энергии, но и для создания тяги и ускорения.
Подтверждение у настоящих рыб
Исследователи создали простую гидродинамическую модель, предсказывающую поведение реальных рыб, если они используют правило «согласования фазы с вихрем». Анализ с помощью ИИ поз золотых рыбок, плавающих вместе, подтвердил, что эта стратегия используется в природе.
«Мы обнаружили простое правило синхронизации с соседями, которое позволяет ведомым постоянно использовать социально созданные вихри», — говорит старший автор Иэн Кузин (MPI-AB).