Przyjrzyjrzyj się szybko temu pstrągowi płynącemu pod prąd. Zauważ coś niezwykłego?
Image credit: Beal, et al. Passive propulsion in vortex wakes. Journal of Fluid Mechanics
Widzieliście pewnie coś podobnego niezliczoną ilość razy; ryba wije się pod prąd, który popycha ją do tyłu, powoli robiąc postępy, aż do momentu, gdy skręca i wymyka się spod wpływu strumienia. Nic w tym szczególnego.
Jedyną rzeczą jest to, że ta konkretna ryba jest martwa.
Tak, dobrze przeczytałeś. Bez względu na to, jak realistycznie wygląda, gdy płynie po zbiorniku, ten sam pstrąg po prostu zniknie, jeśli wyłączy się prąd. Jak więc może płynąć pod prąd?
Zespół badaczy z MIT i Harvardu był równie zaskoczony, gdy przypadkiem natknął się na to zjawisko. Badali oni sposób, w jaki żywe pstrągi oszczędzają energię, pływając za przeszkodami blokującymi prąd*, i niechcący umieścili martwą rybę w zestawie doświadczalnym. Kiedy przyjrzeli się bliżej, byli oszołomieni.
„To było niesamowite, bardzo sprzeczne z intuicją” – mówi badacz z MIT Michael Triantafyllou, opisując szok, jaki przeżył, widząc rybę płynącą w górę rzeki. Wyjaśnia on, że choć wiedział, że pstrągi są dobre w zachowywaniu, a nawet pozyskiwaniu energii, nie miał pojęcia, że będą w stanie pozyskać wystarczająco dużo energii z otaczającego płynu, aby płynąć pod prąd bez wydatkowania własnej energii. Natychmiast zespół zaczął badać to nowe, pozornie niemożliwe zjawisko.
Jak się okazuje, obiekty, które blokują naturalny przepływ wody, takie jak skała czy łódź, tworzą serię złożonych wirów w nurcie, gdy woda pokonuje przeszkodę. Jak każdy, kto próbował złapać rybę wie, ryby są dość elastyczne w dół ich kręgosłupów, co pozwala głowa i ogon poruszać się niezależnie od siebie. W pewnych sytuacjach, układ wirów tworzących się za przeszkodą powoduje rezonansowe klapanie ciała i ogona. To przechyla ciało w taki sposób, że wiry, które powodują spadek ciśnienia, wywierają siłę ssącą, która napędza rybę do przodu.
Znane jako „ulica wirowa”, to płynne zachowanie pojawia się w szerokim zakresie skal – od rzek do nieba.
Obraz: Cesareo de la Rosa Siqueira
Jak wyjaśnia Triantafyllou: „Za przeszkodą mamy przepływ, który tworzy ciągły strumień wirów. Każdy wir zawiera energię, a także powoduje spadek ciśnienia w cieczy… wir powoduje, że ciało klapnie tam i z powrotem, a rybie udaje się wydobyć energię.” Ponieważ cała energia jest dostarczana przez wiry, nie ma znaczenia, czy ryba jest żywa czy martwa, jeśli tylko czas jest odpowiedni.
W świecie, w którym zawsze staramy się poprawić wydajność, to odkrycie ma oczywiste implikacje dla pojazdów wodnych. W rzeczywistości, Triantafyllou mówi, że dużym czynnikiem ograniczającym naszą eksplorację oceanów jest fakt, że urządzenia robotyczne, które są często zatrudnione, mają bardzo krótką żywotność baterii, zazwyczaj tylko 8 godzin. Tworząc nowe urządzenia wzorowane na pstrągach, moglibyśmy całkowicie wyeliminować to ograniczenie.
Jest oczywiście pewien haczyk. Ta grupa badaczy miała sporo szczęścia, że natrafiła na to zjawisko, ponieważ aby ryba mogła wydobyć z prądu wystarczająco dużo energii, by pokonać własny opór, musi być bardzo ostrożnie ustawiona: zbyt daleko, a wiry nie są wystarczająco silne; zbyt blisko, a ssanie z przeszkody wciąga ją do środka. Kiedy eksperyment był przeprowadzany na martwym pstrągu, przypadkowo trafili w dobry punkt, ale jak komentuje Triantafyllou: „Jeśli chcesz to zrobić w prawdziwym życiu, nie możesz polegać na przypadku”. Zamiast tego, żywe ryby mają niezwykłe czujniki, które pozwalają im stworzyć mapę przepływu wody, dzięki czemu mogą dostosować swoje pozycje, aby były tak korzystne energetycznie, jak to tylko możliwe.
Wyraźnie widać, że zanim roboty następnej generacji będą mogły rozpocząć swoje eksploracje, będziemy musieli wyposażyć je w podobne czujniki. Chociaż projekt „martwa ryba” został ukończony ponad dekadę temu, Triantafyllou pracuje obecnie z partnerami, Gabrielem Weymouth (z Uniwersytetu Southampton) i Jianminem Miao (z Nanyang Technological University), nad rozwojem tej technologii – po raz kolejny czerpiąc inspirację z natury.
Jeden z ich projektów bada „linię boczną” ryby, narząd w postaci rzędu kropkowanych łusek wzdłuż boków ryby, który może wykrywać prędkość i ciśnienie wody wokół niej. Mimo że fizyczna struktura jednostek sensorycznych jest dość dobrze poznana – mówiąc najprościej, są to wiązki komórek włoskowatych zamkniętych w galaretowatym materiale – niezwykle trudno jest wykonać obliczenia niezbędne do zrekonstruowania mapy przestrzennej z danych wejściowych każdego czujnika.
Inne obiecujące podejście pochodzi od foki portowej. Drapieżniki te mają niezwykle czułe wąsiska, które mogą wykryć zakłócenia pozostawione przez potencjalną ofiarę do 30 sekund po jej przejściu. Jest ona również w stanie rozróżnić podstawowy kształt (kwadrat, trójkąt) obiektu poruszającego się w wodzie. Grupie Triantafyllou udało się wydrukować w 3D „wąsiska” wzorowane na prawdziwych, które mają „falującą” jakość, ponieważ różnią się średnicą.
Ta praca, która łączy elementy biologii, mechaniki płynów i inżynierii, jest tylko jednym z przykładów biomimetyki, dziedziny, która przyczyniła się do powstania takich innowacji jak rzepy i szkło bezpieczne dla ptaków. Jak opisuje to Triantafyllou, biomimetyka to „uczenie się od naturalnych organizmów za darmo, aby wymyślić naprawdę genialne rozwiązania”. Pomysł polega na tym, że skoro ewolucja jest w istocie gigantycznym systemem optymalizacji – wybierającym na przykład najbardziej efektywną konstrukcję ciała do pływania pod prąd – możemy skorzystać z rozwiązań inżynieryjnych, które zostały już opracowane w tym procesie. Najwyraźniej ta skarbnica organicznej pomysłowości jest ogromnym zasobem naturalnym, z którego dopiero zaczynamy korzystać.
-Eleanor Hook
*Nawiasem mówiąc, istnieje hipoteza, że to właśnie dlatego ryby pływają w ławicach; te, które pływają w ślad za swoimi towarzyszami, zużywają znacznie mniej energii niż w przeciwnym razie. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, sprawdź nasz podcast i post z 2015 roku: „Flocks and Fluids”.