Robotok segítenek megfejteni a halrajok rejtélyét

Robotok segítenek megfejteni a halrajok rejtélyét

Robotok segítenek megfejteni a halrajok rejtélyét

big data

2 perc

A látványos jelenséget évszázadok óta vizsgálják, egy alapkérdésre azonban nem sikerült választ találni mostanáig. Az ELTE kutatói a Max Planck Állatviselkedéstani Intézet (MPI-AI), a Konstanzi Egyetem, a Pekingi Egyetem tudósaival együttműködve nemrég bizonyították a korábbi feltevést, hogy a halak energiát spórolnak a rajban úszással.

A kérdés megválaszolásához meg kellett mérni a rajban úszó egyedek energiafelhasználását. Szabadon úszó halak esetén ennek pontos végrehajtása eddig nem volt lehetséges, ezért a korábbi tanulmányok inkább elméleti modellekre és becslésekre építettek.  

Az új kutatás azonban legyőzte ezt akadályt a kísérleti tesztelés előtt. A szakemberek kifejlesztettek egy 3D robothalat, amelynek rugalmas farokúszója van, és olyan hullámzó mozgással úszik, mint egy valódi hal. A biomimetikus fejlesztés további előnye, hogy lehetővé teszi az együtt úszással járó energiafogyasztás közvetlen mérését, és a magányos úszással való összehasonlítását – írta honlapján az Eötvös Loránd Tudományegyetem.

A kutatók a robothalak úszását vizsgálták párban és egyedül. Több mint 10 ezer mérést végeztek, és minden lehetséges helyzetben tesztelték a követő halakat a vezetőkhöz képest, majd összehasonlították az energiafelhasználást az egyéni úszással. Az eredmények egyértelmű különbséget mutattak.

A szakértők 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 követőknek 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 hidrodinamikai folyamatok megjelenítéséhez a kutatók apró hidrogénbuborékokat bocsátottak a vízbe, amelyeket lézerrel világították meg. Ez a technika láthatóvá tette a robotok úszó mozgása által létrehozott örvényeket. Az örvények a vezető halról leválnak és hozzá 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.

De vajon a valódi halak használják-e az örvényfázis-egyeztetés stratégiáját az energiatakarékosság érdekében? Ennek megválaszolására a szakemberek megalkottak egy egyszerű hidrodinamikai modellt, amely azt írja le, hogy miként mozognak a valódi egyedek, 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.

Iain Couzin vezető szerző, az MPI-AB igazgatója 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.