برای بیش از ۵۰ سال، باور رایج میان دانشمندان این بود که ماهی‌ها با شنا در الگوهای الماسی شکل، انرژی خود را ذخیره می‌کنند. این فرضیه که بر پایه مدل‌های ارائه‌شده توسط «ویس» و «لایت‌هیل» در دهه ۱۹۷۰ بنا شده بود، مسیر دهه‌ها تحقیق علمی و طراحی ربات‌های زیردریایی را شکل داده است.
اما اکنون پژوهش جدیدی از دانشمندان دانشگاه‌های پرینستون و هاروارد این نظریه را زیر سؤال برده است. بر اساس این تحقیق، ماهی‌ها در حقیقت از یک ساختار پویاتر و سه‌بعدی به نام «الگوی نردبانی» برای حرکت گروهی استفاده می‌کنند.
بررسی الگوهای تازه در حرکت گروهی ماهی‌ها
طراحی آزمایشی نوآورانه
در این مطالعه، شش ماهی «دانیو غول‌پیکر» به‌مدت ۱۰ ساعت در یک تانک با جریان چرخشی مورد بررسی قرار گرفتند. با استفاده از دوربین‌های همزمان از زاویه‌های جانبی و پایین، همراه با نرم‌افزارهای یادگیری عمیق، داده‌های دقیق سه‌بعدی از موقعیت ماهی‌ها جمع‌آوری شد.
در مجموع، پژوهشگران توانستند بیش از ۲۶۰ هزار فریم تصویری را ثبت کنند که در آن‌ها دست‌کم چهار ماهی به‌طور کامل از دو زاویه قابل پیگیری بودند.
کنار رفتن فرضیات قدیمی
تنها ۰٫۱ درصد از این فریم‌ها حاوی آرایش الماسی کلاسیک بود، الگویی که سال‌ها به‌عنوان بهینه‌ترین شکل برای صرفه‌جویی در انرژی تصور می‌شد.
ترجیح ماهی‌ها: ساختار نردبانی، نه الماسی
تعریف الگوی نردبانی
الگوی غالب مشاهده‌شده در پژوهش، نوعی چینش سه‌بعدی به نام الگوی نردبانی بود. در این ساختار، ماهی‌ها به‌صورت پله‌ای قرار می‌گیرند؛ یعنی برخی اندکی بالاتر یا پایین‌تر از ماهی جلویی خود شنا می‌کنند، نه در یک سطح افقی و پهلو به پهلو.
آمارها و نکات کلیدی
- الگوی نردبانی در ۷۹ درصد از جفت‌ماهی‌ها مشاهده شد.
- تنها ۲۵٫۲ درصد از جفت‌ها در یک سطح افقی بودند.
- موقعیت‌یابی عمودی نقش مهمی در رفتار طبیعی گروه‌های ماهی دارد، نکته‌ای که در مطالعات دوبعدی قبلی نادیده گرفته شده بود.
این یافته نشان می‌دهد که ماهی‌ها ترجیح می‌دهند در ساختارهای پویای سه‌بعدی حرکت کنند که به کاهش مقاومت جریان کمک می‌کند، بدون آن‌که نیاز به هم‌راستایی دقیق داشته باشند.
چرا الگوی نردبانی مؤثر است؟
اجتناب از «جت» ناشی از شنا
به گفته دکتر هانگتانگ کو، نویسنده اصلی این پژوهش:
«وقتی ماهی شنا می‌کند، در واقع نوعی جریان پرفشار به عقب تولید می‌کند، مانند موتور جت هواپیما. ماهی‌ها با اجتناب از این جریان، مقاومت آب را کاهش می‌دهند.»
در الگوی نردبانی، هر ماهی کمی بالاتر یا پایین‌تر از دیگری قرار می‌گیرد تا در مسیر مستقیم جریان پرفشار نباشد. این ساختار، صرفه‌جویی در انرژی مشابه مدل الماسی ایجاد می‌کند، اما با نیاز بسیار کمتر به هماهنگی زمانی و مکانی دقیق.
چالش‌های مدل الماسی
مدل الماسی نیازمند هماهنگی کامل در ضربات دمی و موقعیت افقی است، در حالی که در دنیای واقعی، ماهی‌ها به ندرت با چنین دقتی حرکت می‌کنند. حتی در محیط‌های کنترل‌شده، ماهی‌ها مرتب موقعیت خود را تغییر می‌دادند:
- میانگین تغییر الگوی فردی: هر ۴۸ ثانیه
- تغییر الگوی کلی گروه: هر ۳۲ ثانیه
تأثیر سرعت جریان
با افزایش سرعت از ۱٫۶ تا ۵٫۶ برابر طول بدن در ثانیه، ساختار نردبانی کشیده‌تر و بلندتر شد. این تطبیق رفتاری شباهت زیادی به ساختارهای جمعی دیگر مانند قایق‌های آتش‌مورچه‌ها دارد.
ردیابی سه‌بعدی در محیط طبیعی‌تر
حذف محدودیت‌های مطالعات قبلی
پژوهش‌های پیشین ماهی‌ها را به تانک‌های کم‌عمق یا آب ساکن محدود می‌کردند که موجب شکل‌گیری آرایش‌های غیرطبیعی می‌شد. اما در این آزمایش، از مخازن عمیق با جریان ثابت استفاده شد که اثرات مرزی را از بین برد.
فناوری تشخیص موقعیت سه‌بعدی
محققان از هوش مصنوعی برای شناسایی موقعیت سر و دم ماهی‌ها در فضای سه‌بعدی بهره گرفتند. آن‌ها با استفاده از نرم‌افزار SLEAP.ai و یک سیستم تحلیل سفارشی در متلب، داده‌ها را پردازش کردند.
طبق نقشه‌های حرارتی به‌دست‌آمده، ماهی‌ها بیشترین احتمال را داشتند که در موقعیت «بالا-عقب» یا «پایین-جلو» نسبت به یکدیگر قرار گیرند – نه در یک خط مستقیم.
این ساختار نردبانی به‌صورت طبیعی شکل گرفت و حاصل تمرین یا شرطی‌سازی نبود، نکته‌ای مهم در درک کارایی واقعی این ساختارها در محیط طبیعی است.
فراتر از زیست‌شناسی: تأثیر در طراحی رباتیک
کاربرد در ربات‌های زیرآبی
آزمایشگاه ناگپال اکنون در حال طراحی گروه‌های ربات ماهی است که از این بینش جدید الهام گرفته‌اند. با الگوبرداری از ساختار نردبانی، این ربات‌ها ممکن است بتوانند انرژی کمتری مصرف کنند، حرکت روان‌تری داشته باشند و در مأموریت‌هایی مانند نظارت بر صخره‌های مرجانی عملکرد بهتری از خود نشان دهند.
آینده بینش‌های زیستی و فناوری
کو می‌گوید:
«این همکاری یک مسیر دوطرفه است. ما می‌توانیم با بینایی کامپیوتری کشف کنیم که گروه‌های حیوانی چگونه و چرا چنین رفتاری دارند. سپس این بینش را در سیستم‌های رباتیک واقعی به کار ببریم.»
نتیجه‌گیری: پیچیدگی طبیعی، جایگزین کمال هندسی
این مطالعه نشان می‌دهد صرفه‌جویی در انرژی، وابسته به حفظ الگوهای کامل نیست. حتی ماهی‌هایی که مرتب موقعیت خود را تغییر می‌دهند نیز از مزیت‌های دور ماندن از جریان پشت سر بهره‌مند می‌شوند.
سؤالات جدیدی مطرح شده‌اند:
- آیا ربات‌های ماهی می‌توانند موقعیت خود را تغییر دهند، در حالی که انرژی ذخیره می‌کنند؟
- آیا ساختارهای عمودی در آب‌های متلاطم عملکرد بهتری دارند؟
پاسخ به این سؤالات ممکن است در آزمایش‌های آینده با استفاده از مدل‌های رباتیک آشکار شود.
اما فعلاً یک چیز روشن است:
طبیعت به‌جای کمال، پیچیدگی را ترجیح می‌دهد.
ماهی‌ها در ساختارهای الماسی صاف شنا نمی‌کنند، بلکه از نردبان‌های نامرئی بالا می‌روند، پله به پله، به اندازه طول بدن‌شان.
این پژوهش در مجله Scientific Reports منتشر شده است.
