Guardate velocemente questa trota che nuota controcorrente. Notate qualcosa di insolito?
Image credit: Beal, et al. Passive propulsion in vortex wakes. Journal of Fluid Mechanics
Avrete probabilmente visto qualcosa di simile innumerevoli volte; il pesce si dimena contro le correnti che lo spingono all’indietro, facendosi lentamente strada fino a quando si gira e si allontana dall’influenza della corrente. Niente di speciale in questo.
L’unica cosa è che questo particolare pesce è morto.
Sì, avete letto bene. Non importa quanto sembri realistico mentre ondeggia attraverso la vasca, quella stessa trota andrebbe a pancia in su se la corrente venisse interrotta. Quindi, come può nuotare controcorrente? Un team di ricercatori del MIT e di Harvard sono rimasti altrettanto sorpresi quando si sono imbattuti in questo fenomeno per caso. Stavano studiando il modo in cui le trote vive conservano l’energia nuotando dietro gli ostacoli che bloccano la corrente*, e involontariamente hanno messo un pesce morto nel setup sperimentale. Quando hanno dato un’occhiata più da vicino, sono rimasti sbalorditi.
“È stato incredibile, molto controintuitivo”, dice il ricercatore del MIT Michael Triantafyllou, descrivendo lo shock che ha provato nel vedere il pesce nuotare controcorrente. Spiega che mentre sapeva che le trote sono brave a conservare e persino ad estrarre energia, non aveva idea che sarebbero state in grado di estrarre abbastanza energia dal fluido circostante per nuotare controcorrente senza consumare la loro stessa energia. Immediatamente, il team ha iniziato a studiare questo nuovo fenomeno, apparentemente impossibile.
Come si è scoperto, gli oggetti che bloccano il flusso naturale dell’acqua, come una roccia o una barca, creano una serie di vortici complessi nella corrente mentre l’acqua naviga l’ostacolo. Come sa chiunque abbia provato ad afferrare un pesce, i pesci sono abbastanza flessibili lungo tutta la loro spina dorsale, il che permette alla testa e alla coda di muoversi indipendentemente l’una dall’altra. In certe situazioni, l’insieme dei vortici che si formano dietro un ostacolo fa sì che il corpo e la coda si agitino in risonanza. Questo inclina il corpo in modo tale che i vortici, che causano una caduta di pressione, applicano una forza di aspirazione che spinge il pesce in avanti.
Conosciuto come “strada dei vortici”, questo comportamento fluido emerge in una vasta gamma di scale, dai fiumi ai cieli.
Image credit: Cesareo de la Rosa Siqueira
Come spiega Triantafyllou, “Si ha un flusso dietro l’ostacolo, che crea un flusso continuo di vortici. Ogni vortice contiene energia e fa anche scendere la pressione nel fluido… il vortice fa sbattere il corpo avanti e indietro, e il pesce riesce a estrarre energia”. Poiché tutta l’energia è fornita dai vortici, non importa affatto se il pesce è vivo o morto, se il momento è quello giusto.
In un mondo in cui si cerca sempre di migliorare l’efficienza, questa scoperta ha ovvie implicazioni per i veicoli acquatici. Infatti, Triantafyllou dice che un grande fattore limitante nella nostra esplorazione degli oceani è il fatto che i dispositivi robotici che vengono spesso utilizzati tendono ad avere una durata della batteria molto breve, di solito solo 8 ore. Creando nuovi dispositivi modellati sulla trota, potremmo eliminare questo vincolo.
C’è, naturalmente, una fregatura. Questo gruppo di ricercatori ha avuto la fortuna di imbattersi nel fenomeno, perché affinché il pesce estragga abbastanza energia dalla corrente per superare la propria resistenza, deve essere posizionato molto attentamente: troppo lontano, e i vortici non sono abbastanza potenti; troppo vicino, e il risucchio dell’ostacolo lo attira. Quando hanno impostato l’esperimento con una trota morta, hanno accidentalmente colpito il punto dolce, ma, come commenta Triantafyllou, “Se vuoi farlo nella vita reale, non puoi contare sugli incidenti”. Invece, i pesci vivi hanno sensori straordinari che permettono loro di creare una mappa del flusso d’acqua in modo da poter regolare le loro posizioni per essere il più energicamente favorevole possibile.
E’ chiaro che prima che la prossima generazione di robot possa iniziare le sue esplorazioni, dovremo dotarli di sensori simili. Mentre il progetto del pesce morto è stato completato più di un decennio fa, Triantafyllou sta attualmente lavorando con i partner Gabriel Weymouth (dell’Università di Southampton) e Jianmin Miao (della Nanyang Technological University) per sviluppare questa tecnologia – ancora una volta prendendo ispirazione dalla natura.
Uno dei loro progetti esamina la “linea laterale” del pesce, un organo evidenziato da una fila di squame punteggiate lungo i lati del pesce che può rilevare la velocità e la pressione dell’acqua intorno. Anche se la struttura fisica delle unità sensoriali è ragionevolmente ben compresa – in parole povere, sono fasci di cellule ciliate incapsulate in un materiale gelatinoso – è estremamente difficile eseguire i calcoli necessari per ricostruire una mappa spaziale dall’input di ogni sensore.
Un altro approccio che mostra promesse viene invece dalla foca di porto. Questi predatori hanno dei baffi estremamente sensibili che possono rilevare i disturbi lasciati da una potenziale preda fino a 30 secondi dopo il suo passaggio. Sono anche in grado di distinguere la forma di base (quadrato, triangolo) di un oggetto che si muove nell’acqua. Il gruppo di Triantafyllou è riuscito a stampare in 3D dei “baffi” modellati su quelli veri, che hanno una qualità “ondulata” in quanto variano di diametro.
Questo lavoro, che incorpora elementi di biologia, meccanica dei fluidi e ingegneria, è solo un esempio di biomimetica, un campo che ha contribuito a innovazioni tra cui Velcro e vetro a prova di uccelli. Come la descrive Triantafyllou, la biomimetica è “imparare dagli organismi naturali gratuitamente per trovare delle soluzioni davvero ingegnose”. L’idea è che, poiché l’evoluzione è essenzialmente un gigantesco sistema di ottimizzazione – selezionando il design del corpo più efficiente per nuotare controcorrente, per esempio – possiamo trarre vantaggio dalle soluzioni ingegneristiche che sono già state sviluppate attraverso questo processo. Chiaramente, questo tesoro di ingegnosità organica è un’enorme risorsa naturale che abbiamo solo iniziato a sfruttare.
-Eleanor Hook
*Incidentalmente, si ipotizza che questo sia il motivo per cui i pesci nuotano in gruppo; quelli che nuotano nella scia dei loro compagni spendono molta meno energia di quanto farebbero altrimenti. Per saperne di più su questo, controlla il nostro podcast e post del 2015: “Branchi e fluidi”.