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Nadar juntos ofrece beneficios hidrodinámicos a los peces

  • Robots biomiméticos parecidos a peces han confirmado que la concentración en bancos de estos animales les ofrece beneficios hidrodinámicos que les permite ahorrar energía.

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En concreto, investigadores liderados por el Instituto Max-Planck de Comportamiento Animal muestran que los peces agrupados en bancos podrían aprovechar los remolinos de agua generados por los que están delante aplicando una regla de comportamiento simple. Al ajustar el ritmo de su cola en relación con los vecinos cercanos, una estrategia llamada emparejamiento de fase de vórtice, se demostró que los robots se benefician hidrodinámicamente de un vecino cercano sin importar dónde se encuentren con respecto a ese vecino.

Posteriormente se demostró que la regla previamente desconocida, revelada por los robots, era la estrategia utilizada por los peces nadadores libres. "Los bancos de peces son sistemas sociales altamente dinámicos", dice en un comunicado el autor principal Iain Couzin, director del Instituto Max-Planck de Comportamiento Animal. "Nuestros resultados proporcionan una explicación de cómo los peces pueden beneficiarse de los vórtices generados por vecinos cercanos sin tener que mantener distancias fijas entre sí".

Nadar juntos ofrece beneficios hidrodinámicos a los peces

Responder a la pregunta de si los peces pueden ahorrar energía nadando con otros requiere medir su gasto energético. Hasta ahora, no ha sido posible hacerlo con precisión en peces que nadan libremente, por lo que estudios anteriores han tratado de responder a esta pregunta a través de modelos teóricos y predicciones.

Sin embargo, el nuevo estudio ha superado esta barrera para las pruebas experimentales. Los investigadores desarrollaron un pez robótico en 3D que tiene una aleta caudal suave y nada con un movimiento ondulante que imita con precisión el movimiento de un pez real. Pero a diferencia de sus contrapartes en vivo, los robots permiten la medición directa del consumo de energía asociado con nadar juntos o solos.

"Desarrollamos un robot biomimético para resolver el problema fundamental de averiguar cuánta energía se usa en la natación", dice Liang Li, becario postdoctoral en el Instituto Max-Planck de Comportamiento Animal y primer autor del estudio. "Si luego tenemos varios robots interactuando, obtenemos una manera eficiente de preguntarnos cómo las diferentes estrategias de nadar juntas impactan los costos de locomoción".

Los investigadores estudiaron peces robóticos nadando en parejas versus solos. Realizando más de 10.000 pruebas, probaron peces seguidores en todas las posiciones posibles en relación con los líderes, y luego compararon el uso de energía con la natación en solitario.

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Los resultados mostraron una clara diferencia en el consumo de energía de los robots que nadaban solos frente a los que nadaban en parejas. La causa de esto, descubrieron, es la forma en que los peces de adelante influyen en la hidrodinámica de los peces de atrás. La energía consumida por un pez seguidor está determinada por dos factores: su distancia detrás del líder y el tiempo relativo de los latidos de la cola del seguidor con respecto al del líder. En otras palabras, importa si el pez seguidor está posicionado cerca del frente o muy detrás del líder y cómo el seguidor ajusta su cola para aprovechar los vórtices creados por el líder.

Para ahorrar energía, resulta que el secreto está en la sincronización. Es decir, los peces seguidores deben hacer coincidir el ritmo de su cola con el del líder con un desfase de tiempo específico basado en la posición espacial, una estrategia que los investigadores llamaron "coincidencia de fase de vórtice". Cuando los seguidores están al lado del pez líder, lo más energéticamente efectivo que se puede hacer es sincronizar los latidos de la cola con el líder. Pero a medida que los seguidores se quedan atrás, deberían perder la sincronización y tener más y más retrasos en comparación con el ritmo de la cola del líder.

Para visualizar la hidrodinámica, los investigadores emitieron pequeñas burbujas de hidrógeno en el agua y las fotografiaron con un láser, una técnica que hizo visibles los vórtices creados por el movimiento de natación de los robots. Esto mostró que el pez líder arroja los vórtices y se mueven río abajo. También mostró que los robots pueden utilizar estos vórtices de varias formas.

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"No se trata solo de ahorrar energía. Al cambiar la forma en que se sincronizan, los seguidores también pueden usar los vórtices arrojados por otros peces para generar empuje y ayudarlos a acelerar ", dice el coautor Mate Nagy, jefe del Grupo de Investigación de Comportamiento Colectivo 'Lendület' en la Academia de Ciencias de Hungría y Eötvös University, quien realizó el trabajo cuando era becario postdoctoral en el Max-Planck-Institute of Animal Behavior.

Pero, ¿los peces reales usan la estrategia de emparejamiento de fases de vórtice para ahorrar energía? Para responder a eso, los investigadores crearon un modelo hidrodinámico simple que predice lo que deberían hacer los peces reales si utilizan la coincidencia de fases de vórtice. Utilizaron un análisis asistido por IA de la postura corporal de peces de colores nadando juntos y encontraron, de hecho, que la estrategia se está utilizando en la naturaleza.

Dice Couzin: "Descubrimos una regla simple para sincronizarnos con los vecinos que permite a los seguidores explotar continuamente los vórtices generados socialmente. Pero antes de nuestros experimentos robóticos, simplemente no sabíamos qué buscar, por lo que esta regla se ha ocultado a la vista ".

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