Het is gemakkelijk te speculeren waarom vissen in scholen zouden kunnen zwemmen - betere bescherming tegen roofdieren, verbeterde foerageercapaciteit, gemakkelijker vis-naar-vis communicatie. Nog, geen van deze onthult waarom vissen in een specifiek patroon samen kunnen bewegen.

Onderzoek naar de energie van scholen vissen levert contra-intuïtieve gegevens op - de groepspatronen leiden niet noodzakelijkerwijs tot een maximaal energieverbruik.

Waarom doen ze het dan? Universitair docent werktuigbouwkunde en mechanica, Keith Moord, gelooft dat door vloeistof gemedieerde krachten aan het werk zijn. In feite, zijn eerdere onderzoek heeft gewezen op de waarschijnlijkheid ervan.

"De 3D-formatie gecreëerd door een groep vissen is verwant aan atomen die door krachten in een roosterstructuur worden getrokken, ' zegt Moord.

Door een uitgebreid begrip te krijgen van deze collectieve interacties, kunnen wetenschappers bepalen hoe kwetsbaar biologische netwerken zijn voor overbevissing, verlies van leefgebied en een veranderend klimaat. Het zou ook de deur kunnen openen naar de ontwikkeling van scholen voor bio-geïnspireerde technologieën.

Momenteel, onbemande onderwatervoertuigen worden gebruikt om te helpen bij de commerciële visserij, voor het verzamelen van watermonsters, bij zoek- en reddingsoperaties en voor militaire doeleinden.

In de toekomst, zegt Moored, in plaats van slechts één, het is waarschijnlijk dat een groep apparaten onder water wordt gestuurd om een ​​reeks taken uit te voeren, omdat deze collectieve aanpak veel efficiënter is. Maar er zijn obstakels.

"De sleutel tot het maken van een doorbraak in het ontwerp van hoogwaardige collectieven van bio-geïnspireerde apparaten is het begrijpen van de fundamentele vloeistofmechanica van collectieve interacties, ", zegt Moored. "Maar op dit moment hebben we geen grondig begrip van de vloeistofdynamica tussen vissen in scholen."

Moored heeft een National Science Foundation (NSF) Career Award ontvangen om dit veelbelovende onderzoeksgebied te verkennen. Hij zal het geld gebruiken om een ​​beter begrip te krijgen van stromingsmechanismen die optreden bij instabiele (door oscillerende vinnen), driedimensionale op elkaar inwerkende lichamen in complexe arrangementen.

Uiteindelijk zou zijn werk de vraag kunnen beantwoorden:wat kunnen wetenschappers van de natuur lenen om teams van watervoertuigen te creëren die zo geoptimaliseerd zijn voor onderwaterbewegingen als vissen die in een school zwemmen?

Ons begrip van scholing transformeren

Een van Mooreds eerste doelstellingen is het karakteriseren van de krachten, energetische en stromingsfysica van collectieve voortbeweging voor verschillende opstellingen die typerend zijn voor dierlijke voortbeweging.

Met uitgebreide ervaring in het ontwikkelen van vloeistofdynamische testfaciliteiten, hij zal een windtunnelfaciliteit met lage snelheid gebruiken en twee vleugels met vleugels - vleugelmodellen die de staartoscillaties van een vis kunnen nabootsen. De vleugels worden in verschillende configuraties opgesteld en onderworpen aan een aantal stromingsomstandigheden.

Moored zal de stromingsvelden karakteriseren tussen interagerende pitching-vleugels met behulp van een stereoscopisch deeltjesbeeld-snelheidsmetriesysteem dat is ontworpen om onmiddellijke snelheidsmetingen en gerelateerde eigenschappen in vloeistoffen te verkrijgen. Hij zal ook een zes-assige kracht- en koppelsensor gebruiken die zes gelijktijdige metingen kan doen.

"Eigenlijk, mijn team en ik zullen de sensor aan het pitching-vleugelmodel bevestigen en het zal alle krachten waarnemen die op de vleugel werken, inclusief de stuwkracht en weerstand, ' zegt Moord.

Deze kwantificatiestudies zullen de eerste keer zijn dat zulke gedetailleerde metingen van de krachten, Energetische en stromingsvelden van driedimensionale stuwkracht producerende op elkaar inwerkende lichamen in dergelijke complexe opstellingen zijn geassembleerd.

Een structureel mysterie ontrafelen

Met dezelfde experimenten, Moored zal ook zijn hypothese onderzoeken dat de roosterachtige arrangementen die we in de natuur op school zien, te wijten kunnen zijn aan door vloeistof gemedieerde krachten.

In eerder gepubliceerd werk Moored heeft aangetoond dat er een stabiele evenwichtsafstand bestaat - een toestand waarin een lichaam de neiging heeft om terug te keren naar zijn oorspronkelijke positie nadat het is verstoord - tussen twee op elkaar inwerkende vleugelmodellen in een zij-aan-zij-opstelling. Hij vond dat het evenwicht stabiel was voor lucht- of waterstromingsverstoringen in de dwarsstroomrichting.

"Als de ene zwemmer van de andere weg zou gaan, zou een vloeistof-gemedieerde kracht ze weer bij elkaar trekken en vice versa, ' zegt Moord.

Door variaties van positie te onderzoeken, zal hij bepalen of de locatie die hij eerder identificeerde of andere soortgelijke, werkelijk stabiele evenwichten in drie dimensies zijn.

Zo'n krachtenkaart zou het begrip van wetenschappers van scholingsgedrag kunnen veranderen - een belangrijke stap in de richting van een beter begrip van groepsgedrag in de biologie en een belangrijke ontwikkeling in het ontwerp van onderwatervoertuigen, geïnspireerd door de natuur.