Косяк рыбы - яркое проявление синхронности. Тем не менее столетия исследований оставили без ответа основной вопрос: экономят ли рыбы энергию, плавая стаями? Теперь ученые из Института поведения животных имени Макса Планка (MPI-AB), Университета Констанца и Пекинского университета дали ответ, который давно подозревался, но так и не был окончательно подтвержден экспериментами: да.
Используя биомиметических роботов, похожих на рыб, исследователи показывают, что рыбы могут использовать в своих интересах водовороты, создаваемые теми, кто находится впереди, применяя простое поведенческое правило. Было показано, что регулируя биение своего хвоста относительно ближайших соседей - стратегия, называемая согласованием фаз вихря, - роботы получают гидродинамическую выгоду от ближнего соседа независимо от того, где они расположены по отношению к этому соседу. Ранее неизвестное правило, открытое роботами, впоследствии оказалось стратегией, используемой свободно плавающей рыбой. Об исследовании сообщается 26 октября 2020 года в Nature Communications..
«Рыбные косяки - это очень динамичные социальные системы», - говорит старший автор Иэн Кузин, директор MPI-AB, который также является одним из руководителей Кластера передового опыта «Центр углубленного изучения коллективного поведения» в университете. Констанца. «Наши результаты дают объяснение тому, как рыбы могут получать прибыль от вихрей, создаваемых ближайшими соседями, без необходимости соблюдать фиксированное расстояние друг от друга».
Роботизированное решение
Ответ на вопрос, могут ли рыбы экономить энергию, плавая с другими, требует измерения их расхода энергии. Точно сделать это у свободно плавающих рыб до сих пор было невозможно, и поэтому прошлые исследования пытались ответить на этот вопрос вместо этого с помощью теоретических моделей и прогнозов.
Новое исследование, однако, преодолело этот барьер для экспериментального тестирования. Исследователи разработали трехмерную роботизированную рыбу с мягким хвостовым плавником, которая плавает волнообразными движениями, точно имитирующими движения настоящей рыбы. Но, в отличие от своих живых собратьев, роботы позволяют напрямую измерять потребление энергии, связанное с плаванием вместе или в одиночку.
«Мы разработали биомиметического робота, чтобы решить фундаментальную проблему выяснения того, сколько энергии используется при плавании», - говорит Лян Ли, научный сотрудник MPI-AB и первый автор исследования. «Если у нас есть несколько взаимодействующих роботов, мы получаем эффективный способ выяснить, как различные стратегии совместного плавания влияют на затраты на передвижение».
Простое правило плавания в школе
Исследователи изучили, как рыбы-роботы плавают парами, а не в одиночку. Проведя более 10 000 испытаний, они протестировали рыб-последователей во всех возможных положениях относительно лидеров, а затем сравнили потребление энергии с одиночным плаванием.
Результаты показали явную разницу в энергопотреблении роботов, которые плавали в одиночку, по сравнению с теми, которые плавали парами. Причина этого, как они обнаружили, заключается в том, что рыба впереди влияет на гидродинамику рыбы сзади. Энергия, потребляемая рыбой-последователем, определяется двумя факторами: ее расстоянием от лидера и относительным временем ударов хвоста ведомого по отношению к хвосту лидера. Другими словами, имеет значение, находится ли рыба-последователь близко к фронту или далеко позади лидера, и как ведомый регулирует удары хвоста, чтобы использовать вихри, создаваемые лидером.
Для экономии энергии, оказывается, секрет в синхронизации. То есть рыба-последователь должна согласовывать биение своего хвоста с ритмом лидера с определенной временной задержкой в зависимости от пространственного положения - стратегия, которую исследователи назвали «фазовым согласованием вихря».«Когда ведомые находятся рядом с рыбой-лидером, наиболее энергетически эффективным является синхронизация ударов хвоста с лидером. Но по мере отставания ведомых они должны выходить из синхронизации, все больше и больше отставая по сравнению с ударами хвоста лидера..
Визуализация вихрей
Чтобы визуализировать гидродинамику, исследователи выпустили крошечные пузырьки водорода в воду и визуализировали их с помощью лазера - метод, который сделал видимыми вихри, создаваемые плавательным движением роботов. Это показало, что вихри сбрасываются рыбой-лидером и движутся вниз по течению. Это также показало, что роботы могут использовать эти вихри различными способами. «Речь идет не только об экономии энергии. Изменив способ синхронизации, последователи могут также использовать вихри, создаваемые другими рыбами, для создания тяги и ускорения», - говорит соавтор Мате Надь, руководитель исследования коллективного поведения «Lendület». Группа Венгерской академии наук и Университета Этвёша, который руководил работой, когда был научным сотрудником в MPI-AB.
Результат настоящей рыбы
Но используют ли настоящие рыбы стратегию фазового согласования вихрей для экономии энергии? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи создали простую гидродинамическую модель, которая предсказывает, что должны делать настоящие рыбы, если они используют синхронизацию вихревых фаз. Они использовали анализ положения тела золотых рыбок, плавающих вместе, с помощью искусственного интеллекта, и обнаружили, что эта стратегия действительно используется в природе.
Говорит Кузин: «Мы обнаружили простое правило синхронизации с соседями, которое позволяет последователям постоянно использовать социально генерируемые вихри. Но до наших экспериментов с роботами мы просто не знали, что искать, и поэтому это правило был спрятан на виду."
Видео: