学术成果 | 为什么海里的鱼、天上的鸟成群结队却不会相撞？

为什么海里的鱼、天上的鸟成群结队却不会相撞？一项发表于《美国科学院院报》（PNAS）的最新研究发现，鱼群和鸟群可以通过跟随“领头鱼”和“领头鸟”的尾波来避免类似情况的发生。该研究为动物的群体运动机制提供了新的见解。张骏教授是此项研究的领衔科学家之一，现任职于上海纽约大学。他也是华东师范大学-纽约大学物理联合研究中心及数学联合研究中心（上海纽约大学）的成员，同时兼任纽约大学柯朗数学研究所的应用数学实验室（AML）主任。“在扑翼飞行或摆尾游泳的过程中，鸟或者鱼在空气和水流中留下一种动态结构，这种尾涡可以防止群体间的碰撞和分离，甚至可以允许有着不同拍动节奏的个体一起行进。值得一提的是，正是这种现象让较慢的追随者可以通过尾波来跟上速度较快的领队。”纽约大学物理系博士生Joel Newbolt解释道，他也是这项研究的第一作者。众所周知，鱼和飞鸟经常成群结队地行进，然而它们在群体内的互动细节却一直是一个未解之谜。为了研究拍动的翼型（鸟翅和鱼尾）和周围空气、液体相互作用对群体运动产生的影响，研究人员在应用数学实验室进行了一系列的实验。他们设计了一个由两个水翼组成的机动装置，用以模拟上下拍动并向前游动的翅膀或者鱼鳍。两个水翼分别由不同的电机驱动，基于拍打时翼型上产生的压力和推力，它们可以自由地向前游动。研究人员设置了不同的扑动频率和幅度，用以模拟不同速度下的游鱼和飞鸟。研究结果发现，一对可以在单独行动时实现不同游速的扑翼，在群体运动时却可以和领队留下的尾波相互作用，完成既不会分离也不会碰撞的群体游动模式。具体而言，追随者在领队留下的尾波中以不同的方式“冲浪”。当它落后于领队的时候，追随者会得到领队尾波的“推动”而加速跟上。相反地，如果移动得太快，追随者则会被领队的尾波“推开”。“这些流体力学机制为位于领头者身后的追随者们创造出了一些‘最佳座席’。”张骏教授说。从广泛意义上说，这项研究还为如何从河流、风等自然资源中获取能量提供了潜在途径。“虽然我们目前使用风和水来帮助满足我们的能源需求，但我们的研究为如何更加有效地利用它们提供了新的、可持续发展的方法。”该研究的共同作者、纽约大学柯朗数学研究所助理教授Leif Ristroph说道。封面照片斑尾塍鹬（Limosa lapponica）由华东师范大学校友、上海市野生动植物保护管理站工程师薄顺奇提供

Journal Reference:Newbolt, J. W.,Zhang, J., & Ristroph, L. (2019). Flow interactions between uncoordinated flapping swimmers give rise to group cohesion.Proceedings of the National Academy of Sciences,116(7)2419-2424.

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