A régóta megválaszolásra váró kérdés feltárásához meg kellett mérni a rajban úszó halak energiafelhasználását. Szabadon úszó halak esetén ennek pontos végrehajtása eddig nem volt lehetséges, ezért a korábbi tanulmányok inkább elméleti modellek és becslések segítségével igyekeztek megválaszolni ezt a dilemmát - írja az ELTE Természettudományi Karának weboldala.
Az új tanulmány azonban legyőzte ezt akadályt a kísérleti tesztelés előtt. A kutatók kifejlesztettek egy 3D robothalat, amelynek rugalmas farokúszója van és olyan hullámzó mozgással úszik, amely pontosan utánozza egy valódi hal mozgását. Ugyanakkor az élő társaikkal ellentétben a robotok lehetővé teszik az együtt úszással járó energiafogyasztás közvetlen mérését és az egyedüli úszással való összehasonlítását.
Biomimetikus robotot fejlesztettünk annak az alapvető kérdésnek a megválaszolására, hogy pontosan mennyi energiát használnak fel a halak az úszás során
- mondta Liang Li, az MPI-AB posztdoktori munkatársa és a tanulmány első szerzője. Hozzátette: "Ha ezután több robotot egymással kölcsönhatásban vizsgálunk, hatékony módszert kapunk arra, hogy megértsük, hogy a különböző úszási stratégiák hogyan befolyásolják a mozgás energetikai költségeit."
A kutatók a robothalak úszását vizsgálták párban és egyedül. Több mint 10 ezer mérést elvégezve, minden lehetséges helyzetben tesztelték a követő halakat a vezetőkhöz képest, majd összehasonlították az energiafelhasználást az egyéni úszással. Az eredmények egyértelmű különbséget mutattak az egyedül úszó robotok energiafogyasztásában és a párban úszókéban. Ennek oka az volt, hogy felfedezték, hogy az elülső halak befolyásolják a mögöttük lévő halak hidrodinamikáját. A követő hal számára az úszáshoz szükséges energiabefektetést két tényező határozza meg: a vezető mögötti távolság és a farokcsapások időzítése.
Videók a témában:
Az energiatakarékosság elérésének titka, mint kiderült, a megfelelő időzítés.
Vagyis a követő halaknak az előttük úszó hal farokcsapásaihoz kell igazítaniuk a saját mozgásukat a térbeli helyzet alapján meghatározott időeltolódással - ezt a stratégiát a kutatók "örvényfázis-egyeztetésnek" nevezték. Amikor a követő a vezető hal mellett van, akkor a legtakarékosabb a farokcsapásokat megegyező időzítéssel szinkronizálni a vezetővel. De amikor a követők lemaradnak, el kell térniük az egyidejű mozgástól, és egyre nagyobb késéssel reagálni a vezető farokcsapásaira.
A hidrodinamikai folyamatok megjelenítéséhez a kutatók apró hidrogénbuborékokat bocsátottak a vízbe, amiket lézerrel világították meg, ez a technika pedig láthatóvá tette a robotok úszó mozgása által létrehozott örvényeket. Az örvények a vezető halról leválnak és halhoz képest hátrafelé mozognak.
A vizualizáció azt is megmutatta, hogy a követő robotok ezeket az örvényeket különféle módon tudják hasznosítani.
"Ez nem csak az energiatakarékosságról szól. A mozgás időzítésének megváltoztatásával a követők a más halak által kibocsátott örvényeket arra is felhasználhatják, hogy tolóerőt hozzanak létre a gyorsításhoz" - fejtette ki Nagy Máté társszerző, a MTA-ELTE Csoportos Viselkedés Lendület kutatócsoportjának vezetője, aki korábban az MPI-AB munkatársa volt.
De vajon a valódi halak használják-e az örvényfázis-egyeztetés stratégiáját az energiatakarékosság érdekében? Ennek megválaszolására a kutatók megalkottak egy egyszerű hidrodinamikai modellt, amely azt írja le, hogy hogyan mozognak a valódi halak, ha örvényfázis-egyeztetést alkalmaznak. A mesterséges intelligencia alapú elemzés alkalmazásával mérték együtt úszó aranyhalak testtartását, és megállapították, hogy a stratégiát a természetes viselkedésük során használják a halak.
Couzin professzor elmondta, hogy egy egyszerű szabályt fedeztek fel a szomszédokkal való szinkronizálásra, amely lehetővé teszi a követők számára, hogy folyamatosan kihasználják a társaik által létrehozott örvényeket. A robotkísérleteik előtt egyszerűen nem tudták, hogy pontosan mire figyeljenek, és ezért ez a szabály eddig rejtve marad.
A tanulmányról a Nature Communications folyóirat is beszámolt.
