Un banco de peces es una demostración sorprendente de sincronicidad. Sin embargo, siglos de estudio han dejado una pregunta básica sin respuesta: ¿los peces ahorran energía nadando en los bancos? Ahora, científicos del Instituto Max Planck de Comportamiento Animal MPI-AB,La Universidad de Konstanz y la Universidad de Pekín han proporcionado una respuesta que durante mucho tiempo se sospechó, pero que nunca fue apoyada de manera concluyente por experimentos: sí.
Usando robots biomiméticos parecidos a peces, los investigadores muestran que los peces podrían aprovechar los remolinos de agua generados por los que están al frente aplicando una regla de comportamiento simple. Ajustando el ritmo de su cola en relación con los vecinos cercanos, una estrategia llamada fase de vórticeEmparejamiento: se demostró que los robots se benefician hidrodinámicamente de un vecino cercano sin importar dónde se encuentren con respecto a ese vecino. La regla previamente desconocida, revelada por los robots, se demostró posteriormente que es la estrategia utilizada por los peces que nadan libremente.se informa el 26 de octubre de 2020 en Comunicaciones de la naturaleza .
"Los bancos de peces son sistemas sociales altamente dinámicos", dice el autor principal Iain Couzin, director del MPI-AB, quien también codirige el Centro de Estudios Avanzados del Comportamiento Colectivo del Grupo de Excelencia en la Universidad de Konstanz."Nuestros resultados proporcionan una explicación de cómo los peces pueden beneficiarse de los vórtices generados por vecinos cercanos sin tener que mantener distancias fijas entre sí".
solución robótica
Responder a la pregunta de si los peces pueden o no ahorrar energía nadando con otros requiere medir su gasto energético. Hasta ahora no ha sido posible hacerlo con precisión en los peces que nadan libremente, por lo que estudios anteriores han tratado de responder a esta pregunta a través demodelos y predicciones.
El nuevo estudio, sin embargo, ha superado esta barrera para las pruebas experimentales. Los investigadores desarrollaron un pez robótico en 3D que tiene una aleta caudal suave y nada con un movimiento ondulante que imita con precisión el movimiento de un pez real. Pero a diferencia de sus contrapartes vivos, los robots permiten la medición directa del consumo de energía asociado con nadar juntos versus solos.
"Desarrollamos un robot biomimético para resolver el problema fundamental de averiguar cuánta energía se utiliza en la natación", dice Liang Li, becario postdoctoral en el MPI-AB y primer autor del estudio. "Si tenemos múltiplesrobots interactuando, obtenemos una manera eficiente de preguntarnos cómo las diferentes estrategias de nadar juntas impactan los costos de locomoción ".
Una regla simple para nadar en una escuela
Los investigadores estudiaron peces robóticos nadando en parejas versus solos. Realizando más de 10,000 pruebas, probaron peces seguidores en todas las posiciones posibles en relación con los líderes, y luego compararon el uso de energía con la natación en solitario.
Los resultados mostraron una clara diferencia en el consumo de energía de los robots que nadaban solos frente a los que nadaban en parejas. Descubrieron que la causa de esto es la forma en que los peces de enfrente influyen en la hidrodinámica de los peces de atrás. La energía consumida por unEl pez seguidor está determinado por dos factores: su distancia detrás del líder y el tiempo relativo de los latidos de la cola del seguidor con respecto al del líder. En otras palabras, importa si el pez seguidor está colocado cerca del frente o lejosdetrás del líder y cómo el seguidor ajusta los latidos de su cola para explotar los vórtices creados por el líder.
Para ahorrar energía, resulta que el secreto está en la sincronización. Es decir, los peces seguidores deben hacer coincidir el latido de su cola con el del líder con un desfase de tiempo específico basado en la posición espacial, una estrategia que los investigadores denominaron "vórticecoincidencia de fase ". Cuando los seguidores están al lado de los peces líderes, lo más energéticamente efectivo que se puede hacer es sincronizar los latidos de la cola con el líder. Pero a medida que los seguidores se quedan atrás, deberían perder la sincronización y tener más y más retrasos en comparación con el latido de la cola.del líder.
Visualización de vórtices
Para visualizar la hidrodinámica, los investigadores emitieron pequeñas burbujas de hidrógeno en el agua y las fotografiaron con un láser, una técnica que hizo visibles los vórtices creados por el movimiento de natación de los robots. Esto mostró que los vórtices son eliminados por el líderpeces y se mueven río abajo. También demostró que los robots pueden utilizar estos vórtices de varias formas. "No se trata solo de ahorrar energía. Al cambiar la forma en que se sincronizan, los seguidores también pueden utilizar los vórtices arrojados por otros peces para generar empuje y ayudarlos a acelerar", dice el coautor Mate Nagy, director del Grupo de Investigación de Comportamiento Colectivo 'Lendület' en la Academia de Ciencias de Hungría y la Universidad de Eötvös, quien realizó el trabajo cuando era un becario postdoctoral en el MPI-AB.
El resultado en peces reales
¿Pero los peces reales usan la estrategia de emparejamiento de fase de vórtice para ahorrar energía? Para responder a eso, los investigadores crearon un modelo hidrodinámico simple que predice lo que los peces reales deberían hacer si están usando el emparejamiento de fase de vórtice. Utilizaron análisis asistido por IA depostura corporal de peces de colores nadando juntos y descubrió, de hecho, que la estrategia se está utilizando en la naturaleza.
Dice Couzin: "Descubrimos una regla simple para sincronizarnos con vecinos que permite a los seguidores explotar continuamente los vórtices generados socialmente. Pero antes de nuestros experimentos robóticos, simplemente no sabíamos qué buscar, por lo que esta regla se ha ocultadoa la vista."
Video: http://www.youtube.com/watch?v=J4T4hi8RO7s&feature=emb_logo
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Konstanz . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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