机器人帮助回答问题为什么要向鱼学习

鱼类学校是同步性的惊人展示。然而，数百年来的研究仍未解决一个基本问题：鱼类是否通过在学校游泳而节约能源?现在，来自马克斯·普朗克动物行为研究所(MPI-AB)，康斯坦茨大学和北京大学的科学家提供了一个长期以来一直令人怀疑但从未得到实验最终支持的答案：是的。

研究人员使用仿生鱼样机器人，表明鱼可以通过应用简单的行为规则来利用前面的人所产生的水漩涡。通过调整它们相对于近邻的尾巴节拍(一种称为涡旋相位匹配的策略)，无论机器人相对于近邻位于何处，机器人都可以从近邻获得流体动力。由机器人揭示的先前未知的规则随后被证明是自由游鱼所使用的策略。该研究报告于2020年10月26日发表在《自然通讯》上。

MPI-AB的资深作者Iain Couzin说：“鱼校是一个高度动态的社会系统。”他还共同领导康斯坦茨大学集体行为高级研究卓越中心。“我们的结果为鱼类如何从附近邻居产生的涡流中获利而不必彼此保持固定距离提供了一种解释。”

机器人解决方案

要回答鱼是否可以通过与他人游泳来节省能量的问题，需要测量其能量消耗。到目前为止，在自由游泳的鱼中准确地做到这一点是不可能的，因此过去的研究试图通过理论模型和预测来回答这个问题。

然而，这项新研究克服了实验测试的这一障碍。研究人员开发了一种3D机器人鱼，它具有柔软的尾鳍，并以起伏的运动方式游泳，准确地模拟了真实鱼的运动。但是，与现场使用的机器人不同，这些机器人可以直接测量与一起游泳或单独游泳相关的功耗。

MPI-AB的博士后研究员，这项研究的第一作者梁立说：“我们开发了一种仿生机器人来解决发现游泳中消耗多少能量的根本问题。” “如果然后有多个机器人进行交互，我们将获得一种有效的方法来询问不同的游泳策略如何共同影响运动成本。”

在学校游泳的简单规则

研究人员研究了成对或成对游泳的机器鱼。他们进行了10,000多次试验，测试了相对于领导者在各个可能位置上的跟从鱼类，然后将能量消耗与单独游泳进行了比较。

结果表明，单独游泳的机器人与成对游泳的机器人的能耗存在明显差异。他们发现，造成这种情况的原因是前排鱼类影响后排鱼类水动力的方式。追随者鱼消耗的能量取决于两个因素：其在引导者后面的距离以及跟随者相对于引导者的尾拍的相对时机。换句话说，跟随者的鱼是位于引导者的前部附近还是后面很远，以及跟随者如何调整其尾部拍子以利用引导者产生的涡旋都很重要。

为了节省能源，事实证明秘密是同步的。也就是说，追随者的鱼必须根据空间位置在特定的时间间隔内将其尾部拍子与领队的尾部拍相匹配，这一策略被研究人员称为“涡旋相位匹配”。当跟随者在领队鱼旁边时，最有效的方法是使尾部拍子与领队同步。但是，随着追随者的落后，与领导者的尾巴搏动相比，他们应该失去同步，并且滞后越来越多。