Robotok segítenek megérteni a halrajok rejtélyét
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 megoldani a dilemmát.
Az új kutatás azonban legyőzte ezt akadályt a kísérleti tesztelés előtt. A kutatók kifejlesztettek egy 3D robothalat, amelynek rugalmas farokúszója van, és olyan hullámzó mozgással úszik, mint egy valódi hal. Ugyanakkor élő társaikkal ellentétben
a robothalak lehetővé teszik az együtt úszással járó energiafogyasztás közvetlen mérését
és a magányos 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, a különböző úszási stratégiák miként befolyásolják a mozgás energetikai költségeit."
Biomimetikus robotok (Fotó: Christian Ziegler)
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. A kutatók 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.
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 halrajok rendkívül dinamikus, társas rendszerek. Eredményeink magyarázatot adnak arra, hogy a halak hogyan profitálhatnak a közeli szomszédok által létrehozott örvényekből anélkül, hogy rögzített távolságot kellene tartaniuk egymástól” – magyarázta Iain Couzin vezető szerző, az MPI-AB igazgatója, aki a Konstanzi Egyetem Kiválósági Klaszterét is irányítja.
A hidrodinamikai folyamatok megjelenítéséhez a kutatók apró hidrogénbuborékokat bocsátottak a vízbe, amelyeket 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.
Borítókép: Ling Li (Max Planck Állatviselkedéstani Intézet)