De vraag waarom vissen zwemmen in een school is tot nu toe nooit eenduidig beantwoord. Onderzoekers van Max Planck Institute of Animal Behaviour (MPI-AB), de Universiteit van Konstanz en de Universiteit van Peking hebben met behulp van robotvissen laten zien dat vissen energie besparen door in scholen te zwemmen.
De onderzoekers hebben biomimetische visachtige robots ingezet om aan te tonen dat vissen kunnen profiteren van de wervelingen die worden gegenereerd door de voorgangers, door een eenvoudige gedragsregel toe te passen. Door hun staartslag aan te passen ten opzichte van naaste buren – een strategie die vortexfase-matching wordt genoemd – bleken robots hydrodynamisch te profiteren van een naaste buur, ongeacht waar ze zich ten opzichte van die buur bevinden. De voorheen onbekende regel bleek later de strategie te zijn die werd gebruikt door vrij zwemmende vissen. Het onderzoek werd gisteren gepubliceerd in Nature Communications.
Dynamisch
“Visscholen zijn zeer dynamische, sociale systemen”, zegt senior auteur Iain Couzin, directeur van de MPI-AB, die ook mede-leiding geeft aan het Cluster of Excellence ‘Center for the Advanced Study of Collective Behavior’ aan de Universiteit van Konstanz. “Onze resultaten geven een verklaring voor hoe vissen kunnen profiteren van de wervelingen die worden gegenereerd door naaste buren zonder vaste afstanden van elkaar aan te hoeven houden.”
Robot
Om de vraag te beantwoorden of vissen al dan niet energie kunnen besparen door met anderen te zwemmen, moet hun energieverbruik worden gemeten. Dat nauwkeurig doen bij vrij zwemmende vissen was tot dusverre niet mogelijk, en daarom hebben eerdere studies geprobeerd deze vraag te beantwoorden door middel van theoretische modellen en voorspellingen.
De nieuwe studie heeft deze barrière voor experimenteel testen echter overwonnen. De onderzoekers ontwikkelden een 3D-robotvis die een zachte staartvin heeft en zwemt met een golvende beweging die nauwkeurig de beweging van een echte vis nabootst. Maar in tegenstelling tot hun levende tegenhangers, maken de robots een directe meting mogelijk van het stroomverbruik dat gepaard gaat met samen zwemmen in plaats van alleen.
Energie
“We hebben een biomimetische robot ontwikkeld om het fundamentele probleem op te lossen om erachter te komen hoeveel energie er wordt gebruikt bij het zwemmen”, zegt Liang Li, een postdoctoraal onderzoeker aan de MPI-AB en eerste auteur van het onderzoek. “Als we dan meerdere robots laten samenwerken, krijgen we een efficiënte manier om te vragen hoe verschillende zwemstrategieën de kosten van voortbeweging beïnvloeden.”
Simpele regel
De onderzoekers bestudeerden robotvissen die in paren zwemmen of alleen. Ze voerden meer dan 10.000 proeven uit, testten volgvissen in elke mogelijke positie ten opzichte van leiders – en vergeleken vervolgens energieverbruik met solo-zwemmen.
De resultaten lieten een duidelijk verschil zien in energieverbruik voor robots die alleen zwommen en robots die in paren zwommen. De oorzaak hiervan, zo ontdekten ze, is de manier waarop vissen vooraan de hydrodynamica van vissen achterin beïnvloeden. De energie die een volgvis verbruikt, wordt bepaald door twee factoren: de afstand achter de leider en de relatieve timing van de staartslagen van de volgeling ten opzichte van die van de leider. Met andere woorden, het maakt uit of de volgvis zich dicht bij de voorkant of ver achter de leider bevindt en hoe de volgeling zijn staartslagen aanpast om de wervelingen die door de leider worden gecreëerd, te exploiteren.
Synchroniseren
Om energie te besparen, blijkt dat het geheim ‘synchroniseren’ is. Dat wil zeggen, volgvissen moeten hun staartslag aanpassen aan die van de leider met een specifieke tijdsvertraging op basis van de ruimtelijke positie – een strategie die de onderzoekers “vortexfase-matching” noemden. Als volgers naast de leidervis zijn, is het energetisch meest effectieve wat je kunt doen, het synchroniseren van staartslagen met de leider. Maar als volgers achterop raken, moeten ze uit de pas lopen met steeds meer vertraging in vergelijking met de staartslag van de leider.
Vortices visualiseren
Om de hydrodynamica te visualiseren, zonden onderzoekers minuscule waterstofbelletjes in het water en brachten ze in beeld met een laser – een techniek die de wervelingen die door de zwembeweging van de robots werden gecreëerd, zichtbaar maakte. Dit toonde aan dat wervelingen worden afgeworpen door de leidende vis en stroomafwaarts bewegen. Het toonde ook aan dat robots deze wervelingen op verschillende manieren konden gebruiken. “Het gaat niet alleen om het besparen van energie. Door de manier waarop ze synchroniseren te veranderen, kunnen volgers ook de draaikolken van andere vissen gebruiken om stuwkracht te genereren en hen te helpen versnellen”, zegt co-auteur Mate Nagy, hoofd van Collective Behavior ‘Lendület’ Research Groep in de Hongaarse Academie van Wetenschappen en de Eötvös Universiteit, die het werk leidde toen hij postdoctoraal onderzoeker was aan de MPI-AB.
Het resultaat bij vis
Maar gebruiken echte vissen de strategie van vortexfase-matching om energie te besparen? Om dat te beantwoorden, hebben de onderzoekers een eenvoudig hydrodynamisch model gemaakt dat voorspelt wat echte vissen zouden moeten doen als ze vortexfase-matching gebruiken. Ze gebruikten AI-ondersteunde analyse van de lichaamshouding van goudvissen die samen zwemmen en ontdekten dat de strategie inderdaad in de natuur wordt gebruikt.
Couzin zegt: “We ontdekten een eenvoudige regel voor synchronisatie met buren waarmee volgers continu sociaal gegenereerde draaikolken kunnen exploiteren. Maar vóór onze robotexperimenten wisten we gewoon niet waar we naar moesten zoeken, en daarom is deze regel verborgen zicht.”
Beeld: Dr Liang Li, Max Planck Institute of Animal Behavior (MPI-AB)
