Robothalak használatával vizsgálták a halak rajban úszásának energiafelhasználását

A évszázadok óta vizsgálják a jelenséget, amikor sok hal együtt, összehangoltan úszik. Azonban ezzel kapcsolatbak egy alapkérdésre nem sikerült választ találni. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem kutatói a Max Planck Állatviselkedéstani Intézet (MPI-AB), a Konstanzi Egyetem és a Pekingi Egyetem tudósaival együttműködve nemrég bizonyították a korábbi feltevést, hogy a halak energiát spórolnak a rajban úszással. 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 - írta az ELTE. Az új tanulmány azonban legyőzte ezt akadályt a kísérleti tesztelés előtt. A kutatók kifejlesztettek egy 3 dimenziós 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.

Robothalak segítettek a kutatásban

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. A tudós szerint: „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 párban és egyedül vizsgálták. Több mint 10 ezer mérést elvégezve, minden lehetséges helyzetben tesztelték a követő halakat a vezetőkhöz képest. Ezután 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.

A kutatásból kiderült, hogy az energiatakarékosság elérésének kulcsa a megfelelő időzítés.

Farokcsapás-időzítés

Eszerint 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” – mondta Iain Couzin vezető szerző, az MPI-AB igazgatója, aki a Konstanzi Egyetem Kiválósági Klaszterét is irányítja.

Buborékok, örvények, lézer

A hidrodinamikai folyamatok megjelenítéséhez a kutatók apró hidrogénbuborékokat bocsátottak a vízbe. Ezeket lézerrel világították meg, 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 egy egyszerű hidrodinamikai modellt alkottak meg. Ez 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. Ez lehetővé teszi a követők számára, hogy a társaik által létrehozott örvényeket folyamatosan kihasználják. A robothalak segítségével megvalósított kísérleteik előtt egyszerűen nem tudták, hogy pontosan mire figyeljenek, és ezért ez a szabály eddig rejtve marad. A tanulmányról a Nature Communications folyóirat is beszámolt.