Les robots aident à répondre à la question séculaire de savoir pourquoi les bancs de poissons –

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  • Un banc de poissons est une démonstration frappante de synchronicité. Pourtant, des siècles d’études ont laissé une question fondamentale sans réponse: les poissons économisent-ils de l’énergie en nageant dans les bancs? Maintenant, des scientifiques de l’Institut Max Planck du comportement animal (MPI-AB), de l’Université de Constance et de l’Université de Pékin ont fourni une réponse qui a longtemps été soupçonnée mais jamais confirmée par des expériences: oui.

    À l’aide de robots biomimétiques ressemblant à des poissons, les chercheurs montrent que les poissons pourraient profiter des tourbillons d’eau générés par ceux qui se trouvent devant en appliquant une règle de comportement simple. En ajustant leur battement de queue par rapport aux voisins proches – une stratégie appelée correspondance de phase de vortex – les robots ont montré qu’ils bénéficiaient hydrodynamiquement d’un voisin proche, peu importe où ils sont positionnés par rapport à ce voisin. La règle jusque-là inconnue, révélée par les robots, s’est par la suite révélée être la stratégie utilisée par les poissons nageant librement. L’étude est publiée le 26 octobre 2020 dansCommunications de la nature.

    «Les écoles de poissons sont des systèmes sociaux très dynamiques», déclare l’auteur principal Iain Couzin, directeur du MPI-AB, qui codirige également le Cluster of Excellence ‘Center for the Advanced Study of Collective Behavior’ à l’Université de Constance. “Nos résultats expliquent comment les poissons peuvent profiter des tourbillons générés par les voisins proches sans avoir à garder des distances fixes les uns des autres.”

    Solution robotique

    Pour répondre à la question de savoir si les poissons peuvent ou non économiser de l’énergie en nageant avec d’autres, il faut mesurer leur dépense énergétique. Jusqu’à présent, il n’a pas été possible de le faire avec précision chez les poissons nageant librement, et des études antérieures ont donc cherché à répondre à cette question au moyen de modèles théoriques et de prédictions.

    La nouvelle étude, cependant, a surmonté cet obstacle aux essais expérimentaux. Les chercheurs ont développé un poisson robotique 3D qui a une nageoire caudale souple et nage avec un mouvement ondulant qui imite avec précision le mouvement d’un vrai poisson. Mais contrairement à leurs homologues en direct, les robots permettent une mesure directe de la consommation d’énergie associée à la nage ensemble par rapport à la seule.

    «Nous avons développé un robot biomimétique pour résoudre le problème fondamental de savoir combien d’énergie est utilisée dans la natation», explique Liang Li, stagiaire postdoctoral au MPI-AB et premier auteur de l’étude. “Si nous avons alors plusieurs robots en interaction, nous obtenons un moyen efficace de demander comment différentes stratégies de nage ensemble ont un impact sur les coûts de la locomotion.”

    Une règle simple pour nager dans une école

    Les chercheurs ont étudié les poissons robotiques nageant par paires plutôt que seuls. Lors de plus de 10000 essais, ils ont testé des poissons suiveurs dans toutes les positions possibles par rapport aux leaders – puis ont comparé la consommation d’énergie à la nage en solo.

    Les résultats ont montré une nette différence de consommation d’énergie pour les robots qui nageaient seuls par rapport à ceux qui nageaient par paires. La cause de cela, ont-ils découvert, est la façon dont les poissons à l’avant influencent l’hydrodynamique des poissons à l’arrière. L’énergie consommée par un poisson suiveur est déterminée par deux facteurs: sa distance derrière le leader et la synchronisation relative des battements de queue du suiveur par rapport à celle du leader. En d’autres termes, il importe que le poisson suiveur soit positionné près de l’avant ou loin derrière le leader et comment l’adepte ajuste ses battements de queue pour exploiter les tourbillons créés par le leader.

    Pour économiser de l’énergie, il s’avère que le secret est en synchronisation. Autrement dit, les poissons suiveurs doivent faire correspondre leur battement de queue à celui du chef avec un décalage temporel spécifique basé sur la position spatiale – une stratégie que les chercheurs ont appelée «correspondance de phase de vortex». Lorsque les suiveurs sont à côté du poisson leader, la chose la plus énergiquement efficace à faire est de synchroniser les battements de la queue avec le leader. Mais à mesure que les adeptes prennent du retard, ils devraient se désynchroniser avec de plus en plus de retard par rapport au battement de queue du leader.

    Visualiser les tourbillons

    Afin de visualiser l’hydrodynamique, les chercheurs ont émis de minuscules bulles d’hydrogène dans l’eau et les ont imagées avec un laser – une technique qui rendait visibles les tourbillons créés par le mouvement de nage des robots. Cela a montré que les vortex sont rejetés par le poisson de tête et se déplacent vers l’aval. Il a également montré que les robots pouvaient utiliser ces vortex de différentes manières. “Il ne s’agit pas seulement d’économiser de l’énergie. En changeant la façon dont ils se synchronisent, les adeptes peuvent également utiliser les vortex émis par d’autres poissons pour générer une poussée et les aider à accélérer”, déclare le co-auteur Mate Nagy, responsable de la recherche sur le comportement collectif ‘Lendület’ Groupe de l’Académie hongroise des sciences et de l’Université d’Eötvös, qui a dirigé les travaux lorsqu’il était stagiaire postdoctoral au MPI-AB.

    Le résultat en vrai poisson

    Mais les vrais poissons utilisent-ils la stratégie de correspondance de phase vortex pour économiser de l’énergie? Pour répondre à cela, les chercheurs ont créé un modèle hydrodynamique simple qui prédit ce que les vrais poissons devraient faire s’ils utilisent la correspondance de phase vortex. Ils ont utilisé une analyse assistée par IA de la posture corporelle des poissons rouges nageant ensemble et ont constaté, en effet, que la stratégie est utilisée dans la nature.

    Dit Couzin: “Nous avons découvert une règle simple pour la synchronisation avec les voisins qui permet aux adeptes d’exploiter en continu les vortex générés socialement. Mais avant nos expériences robotiques, nous ne savions tout simplement pas quoi rechercher, et cette règle a donc été cachée en clair. vue.”

    Vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=J4T4hi8RO7s&feature=emb_logo

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