Kijk eens snel naar deze forel die stroomopwaarts zwemt. Valt je iets ongewoons op?
Image credit: Beal, et al. Passive propulsion in vortex wakes. Journal of Fluid Mechanics
Je hebt waarschijnlijk al talloze keren iets soortgelijks gezien; de vis kronkelt tegen de stroming in die hem achteruit duwt, komt langzaam vooruit totdat hij omkeert en uit de invloed van de stroming duikt. Daar is niets bijzonders aan.
Het enige is, dat deze vis dood is.
Ja, dat leest u goed. Hoe levensecht hij er ook uitziet terwijl hij door de tank golft, diezelfde forel zou gewoon kopje onder gaan als de stroming werd uitgezet. Hoe kan hij dan stroomopwaarts zwemmen?
Een team onderzoekers van MIT en Harvard was even verbaasd toen ze dit fenomeen bij toeval ontdekten. Ze bestudeerden de manier waarop levende forel energie bespaart door achter obstakels te zwemmen die de stroming blokkeren*, en plaatsten onbedoeld een dode vis in de proefopstelling. Toen ze beter keken, waren ze stomverbaasd.
“Het was ongelooflijk, heel contra-intuïtief,” zegt MIT-onderzoeker Michael Triantafyllou, die de schok beschrijft die hij voelde toen hij de vis stroomopwaarts zag zwemmen. Hij legt uit dat hij wist dat forellen goed zijn in het bewaren en zelfs onttrekken van energie, maar dat hij geen idee had dat ze in staat zouden zijn om genoeg energie uit de omringende vloeistof te onttrekken om stroomopwaarts te zwemmen zonder hun eigen energie te verbruiken. Onmiddellijk begon het team dit nieuwe, schijnbaar onmogelijke fenomeen te onderzoeken.
Het blijkt dat voorwerpen die de natuurlijke stroming van het water blokkeren, zoals een rots of een boot, een reeks complexe wervelingen in de stroming veroorzaken wanneer het water het obstakel passeert. Zoals iedereen weet die wel eens heeft geprobeerd een vis te grijpen, zijn vissen over hun hele ruggengraat vrij flexibel, waardoor de kop en de staart onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen. In bepaalde situaties zorgen de wervelingen die zich achter een obstakel vormen ervoor dat het lichaam en de staart in resonantie gaan klapperen. Hierdoor kantelt het lichaam zodanig dat de wervelingen, die een drukval veroorzaken, een zuigkracht uitoefenen die de vis voortstuwt.
Geduid als een “wervelstraat”, komt dit vloeistofgedrag op allerlei schalen voor, van de rivieren tot de lucht.
Image credit: Cesareo de la Rosa Siqueira
Zoals Triantafyllou uitlegt, “Je hebt een stroom achter het obstakel, die een continue stroom van wervelingen creëert. Elke werveling bevat energie en zorgt er ook voor dat de druk in de vloeistof afneemt… de werveling zorgt ervoor dat het lichaam heen en weer klapt, en de vis slaagt erin energie te onttrekken.” Aangezien alle energie wordt geleverd door de wervelingen, maakt het helemaal niet uit of de vis levend of dood is, als de timing maar goed is.
In een wereld waarin we altijd proberen de efficiëntie te verbeteren, heeft deze ontdekking voor de hand liggende implicaties voor aquatische voertuigen. Triantafyllou zegt dat een grote beperkende factor bij onze verkenning van de oceanen het feit is dat de robotachtige apparaten die vaak worden gebruikt een zeer korte levensduur van de batterij hebben, meestal slechts 8 uur. Door nieuwe apparaten te maken naar het voorbeeld van de forel, zouden we deze beperking bijna volledig kunnen elimineren.
Er zit natuurlijk een addertje onder het gras. Deze groep onderzoekers had veel geluk dat ze het fenomeen ontdekten, want om de vis genoeg energie uit de stroom te laten halen om zijn eigen weerstand te overwinnen, moet hij zeer zorgvuldig worden geplaatst: te ver weg, en de wervelingen zijn niet krachtig genoeg; te dichtbij, en de zuigkracht van het obstakel trekt hem naar binnen. Toen ze het experiment met een dode forel opzetten, raakten ze per ongeluk de juiste plek, maar, zoals Triantafyllou opmerkt: “Als je het in het echt wilt doen, kun je niet op toevalligheden vertrouwen.” In plaats daarvan hebben levende vissen buitengewone sensoren waarmee ze een kaart van de waterstroming kunnen maken, zodat ze hun positie kunnen aanpassen om zo energetisch gunstig mogelijk te zijn.
Het is duidelijk dat voordat de volgende generatie robots aan hun verkenningen kan beginnen, we ze met soortgelijke sensoren moeten uitrusten. Hoewel het dode vissenproject al meer dan tien jaar geleden is afgerond, werkt Triantafyllou momenteel samen met partners Gabriel Weymouth (van de University of Southampton) en Jianmin Miao (van de Nanyang Technological University) aan de ontwikkeling van deze technologie – opnieuw geïnspireerd door de natuur.
Eén van hun projecten onderzoekt de “laterale lijn” van vissen, een orgaan dat wordt gekenmerkt door een rij gestippelde schubben langs de flanken van de vis en dat de snelheid en druk van het water eromheen kan detecteren. Hoewel de fysieke structuur van de zintuigen redelijk goed bekend is – het zijn bundels haarcellen ingekapseld in een gelatineachtig materiaal – is het uiterst moeilijk om de berekeningen uit te voeren die nodig zijn om een ruimtelijke kaart te reconstrueren uit de input van elke sensor.
Een andere veelbelovende benadering komt van de gewone zeehond. Deze roofdieren hebben extreem gevoelige snorharen, die tot 30 seconden na het passeren van een potentiële prooi, verstoringen kunnen waarnemen. Hij is ook in staat de basisvorm (vierkant, driehoek) te onderscheiden van een voorwerp dat door het water beweegt. Triantafyllou’s groep slaagde erin om “snorharen” te 3D-printen, gemodelleerd naar de echte, die een “golvende” kwaliteit hebben naarmate ze in diameter variëren.
Dit werk, dat elementen van biologie, vloeistofmechanica en techniek bevat, is slechts één voorbeeld van biomimetica, een gebied dat innovaties heeft bijgedragen zoals klittenband en vogelveilig glas. Zoals Triantafyllou het omschrijft, is biomimetica “gratis leren van natuurlijke organismen om met werkelijk ingenieuze oplossingen te komen”. Het idee is dat, aangezien evolutie in wezen een reusachtig systeem voor optimalisatie is – het selecteren van het meest efficiënte lichaamsontwerp om stroomopwaarts te zwemmen, bijvoorbeeld – wij ons voordeel kunnen doen met de technische oplossingen die al via dit proces zijn ontwikkeld. Het is duidelijk dat deze schat aan organisch vernuft een enorme natuurlijke hulpbron is, die we nog maar net beginnen aan te boren.
-Eleanor Hook
*Toevallig wordt verondersteld dat dit de reden is waarom vissen in scholen zwemmen; degenen die in het kielzog van hun metgezellen zwemmen, verbruiken veel minder energie dan ze anders zouden doen. Voor meer hierover, zie onze podcast en post uit 2015: “Scholen en vloeistoffen”