模型展示鱼如何同步尾鳍以节省能量

东北大学的研究人员开发了一种模拟鱼尾鳍运动的模型。该模型揭示了鱼类中常见现象背后的潜在机制：它们如何同步尾鳍的运动，利用由此产生的涡流，从而节省能量。

该研究的详细信息于 2023 年 11 月 2 日发表在《流体物理学》杂志上，并被选为专题文章。

“关于游动鱼类的一个长期假设是，它们利用其他鱼类产生的涡流来节省能量，”伊藤进解释道。“它们协同工作，利用反卡门涡街并相应地调整它们的尾鳍。”

在流体动力学中，卡门涡流是在流体中移动的物体后面形成的旋流。在相反的版本中，涡流具有相反的旋转方向。

为了更多地阐明这些力学，研究人员开发了一种独特的理论模型，该模型不仅考虑了常规的肌肉驱动运动和水力的影响，还考虑了可能影响鱼类运动方式的自然变化，例如生理因素。这使得该模型能够更详细地模仿鱼类自然协调其行为的方式。

在进行数值模拟后，伊藤和他的团队能够复制尾鳍的同步，并证明它可以显着减少距离小于身体长度一半的一对鱼的能量耗散。然而，结果还表明，两条鱼之间鳍运动的典型时间并不能带来保存能量的最佳方法。

此外，该模型还再现了单人游泳的一些基本特性，例如游泳速度和尾拍频率之间的关系。该模型还适用于以鲫状或亚鲫状方式游泳的各种鱼类，例如竹荚鱼、鳟鱼、鲑鱼、鲤鱼和金鱼。

伊藤补充道：“我们已经阐明了生物物种的同步动力学，这也可以应用于其他生物，如鸟类、动物、细菌，甚至单细胞真核生物。” “这种好处也适用于机器人技术;这一发现有助于为协调移动的无人机群 找到新的节能策略。”