Simulaciones de peces nadando identifican formaciones que ahorran energía
Los investigadores han demostrado cómo diferentes formaciones de natación pueden ahorrar energía a los peces y sugieren que solo cambian de posición para ahorrar energía para el grupo cuando están bajo presión.
Los editores describen el estudio como de fundamental importancia, ya que proporciona nuevos conocimientos sobre los parámetros de conservación de energía entre los bancos de peces. Se dice que es convincente la solidez de la evidencia que respalda las observaciones sobre la dinámica de los peces adelantados y rezagados.
"Se cree que las interacciones de flujo permiten que los animales que nadan y vuelan ahorren energía cuando se mueven en grupos, pero es un desafío medir estos ahorros de energía", dice la coautora principal Sina Heydari, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad del Sur de California, EE. UU.
"Aunque los investigadores han propuesto mecanismos sobre cómo ahorra energía cada diferente configuración de natación, hasta la fecha no ha habido comparación de la eficiencia de las diferentes configuraciones entre sí".
Para abordar esto, los investigadores utilizaron un modelo computacional que recogió las características hidrodinámicas de peces individuales y en parejas, representando a cada pez como un hidroala que nada libremente y que sufre oscilaciones en su borde de ataque. Luego, el modelo se utilizó para analizar cómo las interacciones del flujo hacen que los nadadores aleteando se dirijan todos en la misma dirección para autoorganizarse.
Cuando los peces de un banco se mueven "en fase", sus movimientos están sincronizados de tal manera que parecen moverse como una unidad única y cohesiva. Cuando los bancos de peces se mueven en "antifase", sus movimientos no están sincronizados, lo que crea un patrón ondulatorio dentro del cardumen, donde el movimiento de cada pez se contrarresta con el movimiento de otro. Se han sugerido ambos patrones para ayudar a una natación eficiente, según las condiciones ambientales.
El equipo descubrió que cuando los bancos de peces se autoorganizan en una formación de lado a lado y aletean en fase, comparten los beneficios hidrodinámicos por igual. Sin embargo, contrariamente a algunos informes anteriores, descubrieron que cuando los peces aletean en forma antifase, aumenta la demanda de energía a un nivel más alto que si estuvieran nadando solos.
Por el contrario, en formaciones en tándem (ya sea en línea o diagonal) donde hay un líder y un seguidor, los beneficios hidrodinámicos los obtiene enteramente el seguidor.
Al simular la dinámica del flujo de diferentes formaciones, el modelo proporciona información que se puede aplicar como herramienta predictiva tanto a datos de simulación como experimentales. De hecho, el equipo utilizó este enfoque para explicar los mecanismos que conducen a la dispersión en grupos más grandes de nadadores en línea y para predecir cuándo la estela de un grupo líder de nadadores no ofrece beneficios energéticos a los peces que le siguen.
Imagen: Los nadadores acoplados al flujo se autoorganizan en formaciones estables por parejas. Crédito: (2024). DOI: 10.7554/eLife.96129.1
Descubrieron que a medida que aumenta el número de nadadores, las formaciones una al lado de la otra permanecen robustas, pero las formaciones en línea se vuelven inestables más allá de un número crítico de nadadores.
Las simulaciones, junto con datos de experimentos anteriores, también sugieren una intrigante conexión entre la física del flujo y rasgos sociales como la codicia y la cooperación. Los experimentos han demostrado que, cuando se les pide que mantengan altas velocidades de nado, los peces se reorganizan en un patrón de lado a lado a medida que aumenta la velocidad.
Este estudio encontró que las formaciones una al lado de la otra proporcionan la distribución más justa del esfuerzo, lo que sugiere que los peces se ven obligados a cooperar cuando son desafiados por una fuerte corriente de fondo.
En ausencia de este desafío, se posicionan espacialmente como les plazca, sin mucha consideración para compartir equitativamente los beneficios hidrodinámicos. De hecho, en formaciones en línea en tándem, los flujos generados presentan serios impedimentos para que más nadadores se unan a la línea río abajo.
"Podríamos llamar a estas formaciones codiciosas, ya que no dejan recursos en el medio ambiente para los nadadores que las siguen", dice el coautor principal Haotian Hang, candidato a doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad del Sur de California. "Esto, junto con nuestra interpretación de que la cooperación para lograr una distribución equitativa de los beneficios hidrodinámicos es forzada, no innata, plantea una hipótesis interesante: que el reposicionamiento dinámico de los miembros dentro del cardumen está impulsado por la codicia y la competencia, más que por la cooperación".
Los editores de eLife concluyen que este estudio proporciona interesante información sobre el acoplamiento energético con respecto a la dinámica de natación en grupo, pero que una mayor aclaración sobre los grados de libertad y los rangos de parámetros en el modelo fortalecería aún más los hallazgos.
"Comprender cómo la disposición espacial de los individuos dentro de un grupo influye en los costos energéticos del movimiento proporciona información sobre la evolución de las estructuras sociales, la asignación de recursos y la aptitud de cada individuo cuando se trata de buscar alimento, aparearse y evadir a los depredadores", dice la autora principal Eva Kanso, Zohrab A. Kaprielian Fellow en Ingeniería y Profesor de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Universidad del Sur de California.
"También podría usarse para guiar el diseño de sistemas de ingeniería bioinspirados, como enjambres de vehículos robóticos autónomos bajo el agua o en vuelo, que colaboran para lograr una tarea deseada de la manera más eficiente".
El estudio se ha publicado como preimpresión revisada en eLife: Mapping Spatial Patterns to Energetic Benefits in Groups of Flow-coupled Swimmers
