新研究推翻了对于鱼群游动规律长达50年的假设

长期以来，科学家们一直认为鱼类通过以整齐的菱形队形游动来节省能量，但一项使用先进的 3D 跟踪技术的新研究却讲述了不同的故事。50年来，科学家们一直认为，鱼在排列紧密的菱形结构中游动可以节省最多的能量。但普林斯顿大学和哈佛大学的研究人员进行了一项新实验，旨在检验这一长期存在的理论在现实条件下是否成立。

令人惊讶的是，研究结果表明，鱼类很少以菱形游动。相反，它们的游动方式更加灵活，研究人员称之为“梯子”。在这种队形中，鱼类在三维空间中以交错的层层排列，类似于战斗机在飞行中的排列方式。

为了实现这一发现，由普林斯顿大学机器人学教授拉迪卡·纳格帕尔（Radhika Nagpal）领导的研究团队修改了先进的计算机视觉软件。该工具最初设计用于追踪单个动物的运动，后来被改进用于捕捉鱼类在鱼群中游动时实际位置的首个三维数据。

研究人员与哈佛大学生物学家乔治·劳德合作，对六条巨型斑马鱼在循环水箱中游动10小时的情况进行了分析。他们发现，这些鱼几乎从未形成过菱形游动，而是79%的时间呈梯形游动。

“鱼在游动时，平均会产生一股向后的喷射流，就像飞机的喷气发动机一样，”普林斯顿大学博士后研究员、该研究的主要作者 Hungtang Ko 说道。正因为如此，避免彼此正对着身后游动是有益的。Ko 表示，梯形结构提供了与钻石形类似的流体动力学优势，但鱼群无需费力同步，因为它们可以在多个平面上交错游动，而不仅仅是在一个平面上。

鱼群追踪视频示例，时长2分钟。图片来源：Ko et al.

菱形结构最初于20世纪70年代被提出为流体动力学效率最高的结构，此后，仅限于二维视图的模型和实验进一步证实了这一观点。由于难以从多个摄像机角度捕捉精确的三维运动，鱼群模型通常局限于平面。新的软件改进解决了这个问题，为未来以三维方式研究鱼群奠定了基础。

研究人员表示，这项研究在机器人技术领域有着有趣的应用。Nagpal 实验室正在研发受鱼类启发的水下机器人群，未来它们可以以类似的动态梯形队形移动，并获得能量效益。了解鱼群将有助于工程师设计更高效的水下机器人，用于监测珊瑚礁和海藻林等任务。

“这种合作是双向的，”Ko说道。“我们可以利用计算机视觉来探索动物群体如何以及为何共同行动。然后我们可以思考，这种生物学见解可以应用于什么样的现实世界机器人系统？”

编译自/scitechdaily