機器人幫助回答問題為什么要向魚學習

魚類學校是同步性的驚人展示。然而，數百年來的研究仍未解決一個基本問題：魚類是否通過在學校游泳而節約能源?現在，來自馬克斯·普朗克動物行為研究所(MPI-AB)，康斯坦茨大學和北京大學的科學家提供了一個長期以來一直令人懷疑但從未得到實驗最終支持的答案：是的。

研究人員使用仿生魚樣機器人，表明魚可以通過應用簡單的行為規則來利用前面的人所產生的水漩渦。通過調整它們相對于近鄰的尾巴節拍(一種稱為渦旋相位匹配的策略)，無論機器人相對于近鄰位于何處，機器人都可以從近鄰獲得流體動力。由機器人揭示的先前未知的規則隨后被證明是自由游魚所使用的策略。該研究報告于2020年10月26日發表在《自然通訊》上。

MPI-AB的資深作者Iain Couzin說：“魚校是一個高度動態的社會系統。”他還共同領導康斯坦茨大學集體行為高級研究卓越中心。“我們的結果為魚類如何從附近鄰居產生的渦流中獲利而不必彼此保持固定距離提供了一種解釋。”

機器人解決方案

要回答魚是否可以通過與他人游泳來節省能量的問題，需要測量其能量消耗。到目前為止，在自由游泳的魚中準確地做到這一點是不可能的，因此過去的研究試圖通過理論模型和預測來回答這個問題。

然而，這項新研究克服了實驗測試的這一障礙。研究人員開發了一種3D機器人魚，它具有柔軟的尾鰭，并以起伏的運動方式游泳，準確地模擬了真實魚的運動。但是，與現場使用的機器人不同，這些機器人可以直接測量與一起游泳或單獨游泳相關的功耗。

MPI-AB的博士后研究員，這項研究的第一作者梁立說：“我們開發了一種仿生機器人來解決發現游泳中消耗多少能量的根本問題。” “如果然后有多個機器人進行交互，我們將獲得一種有效的方法來詢問不同的游泳策略如何共同影響運動成本。”

在學校游泳的簡單規則

研究人員研究了成對或成對游泳的機器魚。他們進行了10,000多次試驗，測試了相對于領導者在各個可能位置上的跟從魚類，然后將能量消耗與單獨游泳進行了比較。

結果表明，單獨游泳的機器人與成對游泳的機器人的能耗存在明顯差異。他們發現，造成這種情況的原因是前排魚類影響后排魚類水動力的方式。追隨者魚消耗的能量取決于兩個因素：其在引導者后面的距離以及跟隨者相對于引導者的尾拍的相對時機。換句話說，跟隨者的魚是位于引導者的前部附近還是后面很遠，以及跟隨者如何調整其尾部拍子以利用引導者產生的渦旋都很重要。

為了節省能源，事實證明秘密是同步的。也就是說，追隨者的魚必須根據空間位置在特定的時間間隔內將其尾部拍子與領隊的尾部拍相匹配，這一策略被研究人員稱為“渦旋相位匹配”。當跟隨者在領隊魚旁邊時，最有效的方法是使尾部拍子與領隊同步。但是，隨著追隨者的落后，與領導者的尾巴搏動相比，他們應該失去同步，并且滯后越來越多。