Werfen Sie einen kurzen Blick auf diese Forelle, die stromaufwärts schwimmt. Bemerken Sie etwas Ungewöhnliches?
Bildnachweis: Beal, et al. Passive propulsion in vortex wakes. Journal of Fluid Mechanics
Sie haben etwas Ähnliches wahrscheinlich schon unzählige Male gesehen; der Fisch zappelt gegen die Strömung, die ihn nach hinten drückt, und kommt langsam voran, bis er sich umdreht und sich aus dem Einfluss der Strömung duckt. Das ist nichts Besonderes.
Das Problem ist nur, dass dieser spezielle Fisch tot ist.
Ja, Sie haben richtig gelesen. Egal wie lebensecht sie aussieht, wenn sie durch das Becken schwimmt, diese Forelle würde einfach umkippen, wenn die Strömung abgeschaltet würde. Wie kann sie also stromaufwärts schwimmen?
Ein Team von Forschern des MIT und Harvard war ebenso überrascht, als sie zufällig auf dieses Phänomen stießen. Sie untersuchten die Art und Weise, wie lebende Forellen Energie sparen, indem sie hinter Hindernissen schwimmen, die die Strömung blockieren*, und platzierten versehentlich einen toten Fisch in der Versuchsanordnung. Als sie genauer hinsahen, waren sie verblüfft.
„Es war unglaublich, sehr kontraintuitiv“, beschreibt MIT-Forscher Michael Triantafyllou den Schock, den er empfand, als er den Fisch stromaufwärts schwimmen sah. Er erklärt, dass er zwar wusste, dass Forellen gut darin sind, Energie zu konservieren und sogar zu extrahieren, aber er hatte keine Ahnung, dass sie in der Lage sein würden, genug Energie aus der umgebenden Flüssigkeit zu extrahieren, um stromaufwärts zu schwimmen, ohne etwas von ihrer eigenen Energie zu verbrauchen. Sofort begann das Team, dieses neue, scheinbar unmögliche Phänomen zu untersuchen.
Wie sich herausstellte, erzeugen Objekte, die den natürlichen Fluss des Wassers blockieren, wie z. B. ein Fels oder ein Boot, eine Reihe komplexer Wirbel in der Strömung, während das Wasser das Hindernis umgeht. Jeder, der schon einmal versucht hat, einen Fisch zu fangen, weiß, dass Fische über ihre gesamte Wirbelsäule hinweg recht flexibel sind, wodurch sich Kopf und Schwanz unabhängig voneinander bewegen können. In bestimmten Situationen bewirken die Wirbel, die sich hinter einem Hindernis bilden, dass der Körper und der Schwanz in Resonanz schlagen. Dadurch wird der Körper so gekippt, dass die Wirbel, die einen Druckabfall verursachen, eine Saugkraft ausüben, die den Fisch vorwärts treibt.
Dieses als „Wirbelstraße“ bezeichnete Fluidverhalten tritt in den verschiedensten Größenordnungen auf – von den Flüssen bis zum Himmel.
Image credit: Cesareo de la Rosa Siqueira
Wie Triantafyllou erklärt: „Man hat eine Strömung hinter dem Hindernis, die einen kontinuierlichen Strom von Wirbeln erzeugt. Jeder Wirbel enthält Energie und bewirkt außerdem, dass der Druck in der Flüssigkeit sinkt … der Wirbel bewirkt, dass der Körper hin und her flattert, und der Fisch schafft es, Energie zu gewinnen.“ Da die gesamte Energie von den Wirbeln geliefert wird, spielt es überhaupt keine Rolle, ob der Fisch lebendig oder tot ist, wenn das Timing stimmt.
In einer Welt, in der wir immer versuchen, die Effizienz zu verbessern, hat diese Entdeckung offensichtliche Auswirkungen auf Wasserfahrzeuge. Tatsächlich sagt Triantafyllou, dass ein großer limitierender Faktor bei der Erforschung der Ozeane die Tatsache ist, dass die Robotergeräte, die oft eingesetzt werden, eine sehr kurze Batterielebensdauer haben, normalerweise nur 8 Stunden. Durch die Entwicklung neuer Geräte, die der Forelle nachempfunden sind, könnten wir diese Einschränkung fast vollständig beseitigen.
Es gibt natürlich einen Haken. Denn damit der Fisch genug Energie aus der Strömung ziehen kann, um seinen eigenen Widerstand zu überwinden, muss er sehr sorgfältig positioniert werden: zu weit weg, und die Wirbel sind nicht stark genug; zu nah, und der Sog des Hindernisses zieht ihn hinein. Als sie das Experiment mit einer toten Forelle aufbauten, trafen sie versehentlich den Sweet Spot, aber, wie Triantafyllou kommentiert: „Wenn man es im echten Leben machen will, kann man sich nicht auf Zufälle verlassen.“ Stattdessen haben lebende Fische außergewöhnliche Sensoren, die es ihnen ermöglichen, eine Karte der Wasserströmung zu erstellen, so dass sie ihre Positionen so anpassen können, dass sie energetisch so günstig wie möglich sind.
Es ist klar, dass wir die nächste Generation von Robotern mit ähnlichen Sensoren ausstatten müssen, bevor sie ihre Erkundungen beginnen können. Während das Projekt mit den toten Fischen bereits vor über zehn Jahren abgeschlossen wurde, arbeitet Triantafyllou derzeit mit seinen Partnern Gabriel Weymouth (von der University of Southampton) und Jianmin Miao (von der Nanyang Technological University) an der Weiterentwicklung dieser Technologie – und lässt sich dabei einmal mehr von der Natur inspirieren.
Eines ihrer Projekte untersucht die „Seitenlinie“ der Fische, ein Organ, das sich durch eine Reihe von gepunkteten Schuppen entlang der Fischseiten auszeichnet und die Geschwindigkeit und den Druck des Wassers um den Fisch herum erkennen kann. Obwohl die physikalische Struktur der sensorischen Einheiten recht gut verstanden ist – vereinfacht gesagt handelt es sich um Bündel von Haarzellen, die in einem gallertartigen Material eingekapselt sind – ist es extrem schwierig, die Berechnungen durchzuführen, die notwendig sind, um eine räumliche Karte aus den Eingaben der einzelnen Sensoren zu rekonstruieren.
Ein anderer vielversprechender Ansatz kommt stattdessen von der Hafenrobbe. Diese Raubtiere haben extrem empfindliche Schnurrhaare, die Störungen, die von potenzieller Beute hinterlassen werden, bis zu 30 Sekunden nach dem Vorbeiflug erkennen können. Sie sind auch in der Lage, die Grundform (Quadrat, Dreieck) eines Objekts zu unterscheiden, das sich durch das Wasser bewegt. Triantafyllous Gruppe hat es geschafft, Schnurrhaare in 3D zu drucken, die den echten Schnurrhaaren nachempfunden sind. Diese haben eine „wellenartige“ Qualität, da sie im Durchmesser variieren.
Diese Arbeit, die Elemente der Biologie, der Strömungsmechanik und des Ingenieurwesens beinhaltet, ist nur ein Beispiel für Biomimetik, ein Gebiet, das Innovationen wie Klettverschluss und vogelsicheres Glas hervorgebracht hat. Wie Triantafyllou es beschreibt, bedeutet Biomimetik „kostenloses Lernen von natürlichen Organismen, um zu wirklich genialen Lösungen zu kommen.“ Die Idee ist, dass wir, da die Evolution im Grunde ein riesiges System zur Optimierung ist – zum Beispiel die Auswahl des effizientesten Körperdesigns für das Schwimmen flussaufwärts -, die technischen Lösungen nutzen können, die durch diesen Prozess bereits entwickelt wurden. Es ist klar, dass dieser Schatz an organischem Einfallsreichtum eine enorme natürliche Ressource ist, die wir gerade erst angezapft haben.
-Eleanor Hook
*Es wird vermutet, dass dies der Grund ist, warum Fische in Schwärmen schwimmen; diejenigen, die im Kielwasser ihrer Artgenossen schwimmen, verbrauchen viel weniger Energie als sie es sonst tun würden. Mehr zu diesem Thema finden Sie in unserem Podcast und Beitrag von 2015: „Schwärme und Fluide“