На протяжении полувека научное сообщество придерживалось мнения, что стаи рыб достигают максимальной энергоэффективности, выстраиваясь в плоские ромбовидные структуры. Недавнее исследование, проведенное учеными из Принстонского и Гарвардского университетов, поставило эту гипотезу под сомнение.
Вопреки ожиданиям, основанным на математических моделях, рыбы не формируют "алмазы" в воде. Вместо этого они используют динамическую схему, которую исследователи назвали "лестницей". В этой структуре рыбы располагаются в трех измерениях, напоминая эшелон авиации.
Группа исследователей, возглавляемая профессором робототехники Радхикой Нагпал из Принстона, адаптировала программное обеспечение компьютерного зрения, первоначально предназначенное для отслеживания индивидуальных движений животных, чтобы собрать первые трехмерные данные о формировании стаи рыб. В сотрудничестве с биологом Джорджем Лаудером из Гарварда, ученые проанализировали группу из шести гигантских данио, которые плавали в течение десяти часов в резервуаре с циркулирующим потоком воды. Результаты показали, что рыбы почти никогда не формируют ромб, предпочитая "лестничную" структуру в 79% случаев.
"Когда рыба плывет, она в среднем создает струю, направленную назад, как реактивный двигатель самолета", - объяснил Хунгтанг Ко, научный сотрудник Принстона и ведущий автор исследования. Поэтому, нахождение непосредственно позади другой рыбы невыгодно. Ко отметил, что "лестничная" структура обеспечивает те же гидродинамические преимущества, что и ромбовидная форма, но при этом рыбам требуется меньше усилий для синхронизации, так как они могут перемещаться в нескольких плоскостях, а не только в одной.
Концепция ромбовидной формации как наиболее гидродинамически эффективной была предложена в 1970-х годах и с тех пор подкреплялась моделями и экспериментами, ограниченными двухмерным представлением. Модели стай рыб обычно ограничивались плоскими плоскостями из-за сложности точного захвата трехмерного движения с нескольких камер. Новая адаптация программного обеспечения решила эту проблему, открыв возможности для дальнейших исследований стай рыб в трех измерениях.
Исследователи подчеркивают, что их работа имеет интересные перспективы в области робототехники. Лаборатория Нагпал занимается разработкой подводных роев роботов, вдохновленных рыбами, которые в будущем смогут двигаться в аналогичных динамических "лестничных" формациях и извлекать энергетическую выгоду. Понимание принципов формирования стай рыб поможет инженерам создавать более эффективных подводных роботов для таких задач, как мониторинг рифов и лесов водорослей.
"Это сотрудничество – улица с двусторонним движением", - сказал Ко. "Мы можем использовать компьютерное зрение, чтобы понять, как и почему группы животных действуют сообща. А затем мы можем спросить, к какой реальной роботизированной системе можно применить это биологическое понимание?"
Источник фото: eurekalert.org
