Von kleinen Gruppen in Teichen und Seen bis hin zu gigantischen Schwärmen in den Meeren: Bei vielen Fischarten schließen sich die Individuen zu Verbänden zusammen und zeigen dabei ein synchrones Bewegungsverhalten. Ein Zweck dieser Strategie ist die Verwirrung von Fressfeinden, doch man ging auch bereits von energetischen Vorteilen des Schwimmens im Schwarm aus. Bisher gab es dazu allerdings nur theoretische Modelle und Berechnungen. Inwieweit Fische tatsächlich durch das Schwimmen im Verband Energie sparen, schien nur durch die direkte Messung ihres Energiehaushaltes nachweisbar. Doch entsprechende Untersuchungen galten bisher als kaum durchführbar.
Fisch-Roboter verdeutlichen den Energieverbrauch
Ein internationales Forscherteam hat dieses Problem nun mithilfe der Robotik gemeistert. Die Wissenschaftler entwickelten einen Fisch-Roboter, der eine weiche Schwanzflosse besitzt und sich durch wellenförmige Bewegungen vorwärtstreibt, die das Schwimmverhalten der natürlichen Vorbilder perfekt nachahmen. Im Gegensatz zu diesen ermöglichen die Roboter allerdings eine direkte Messung des Energieverbrauchs bei der Fortbewegung. „Durch die Entwicklung dieser bionischen Roboter konnten wir das grundlegende Problem der Bestimmung des Energieverbrauchs beim Schwimmen lösen“, erklärt Erstautor Liang Li vom Konstanzer Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie. „Als wir dann mehrere Roboter miteinander interagieren ließen, konnten wir untersuchen, wie sich unterschiedliche Strategien des gemeinsamen Schwimmens auf die Fortbewegungskosten auswirken.“
Konkret erfassten die Forscher bei den Experimenten den Energieverbrauch nachfolgender Fisch-Roboter in vielen verschiedenen Positionen zu dem vorausschwimmenden Exemplar. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen allein schwimmenden Fisch-Robotern und solchen, die sich in Paaren fortbewegten. Es zeichnete sich auch ab, wie dies mit der Beeinflussung der Hydrodynamik zusammenhängt. Der Energieverbrauch eines nachfolgenden Fisches wird demnach von zwei Faktoren bestimmt: durch seinen Abstand zum Leitfisch und durch das Verhältnis, in dem sein Schwanzschlag zu diesem Tier steht.
Synchronisation mit verzögertem Takt
Das bedeutet: Um den vom Leitfisch erzeugten Strudel optimal auszunutzen, muss der nachfolgende Fisch seinen Schwanzschlag dem Takt des Leitfischs in Abhängigkeit von seiner Entfernung zu ihm anpassen. Das Geheimnis ist also eine adaptive Synchronisierung: Um Energie zu sparen, müssen die Tiere ihren Schwanzschlag an den des Leitfisches anpassen, wobei abhängig von ihrer Position eine entsprechende zeitliche Verzögerung nötig ist. Dabei handelt es sich um eine bisher unbekannte Strategie, die das Forscherteam als „vortex phase matching“ bezeichnet. „Wir haben eine einfache Regel für die Synchronisierung mit Nachbarfischen entdeckt, die es hinterherschwimmenden Fischen erlaubt, vom Schwarm erzeugte Strudel kontinuierlich zu nutzen. Vor unseren Roboterexperimenten wussten wir einfach nicht, wonach wir suchen sollten, und so blieb diese Regel bislang unentdeckt“, sagt Seniorautor Iain Couzin von der Universität Konstanz.
