Técnicas de vídeo de pesquisadores revelam o segredo da economia de energia da truta

Imitar animais é uma estratégia comprovada em design de robôs. Tomemos, por exemplo, os estudos seminais de Haibo Dong sobre como as barbatanas impulsionam os peixes agitando a água em um vórtice.

A cauda, ​​ou barbatana caudal, é bem conhecida por produzir impulso dessa forma. O que nunca havia sido mostrado, antes da pesquisa recente no laboratório do Professor Dong no Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade da Virgínia, era como vórtices de outras barbatanas amplificam o efeito.

O projeto, uma colaboração com pesquisadores da Universidade de Harvard liderados por Dong e Jiacheng Guo, estudante de doutorado em engenharia mecânica e aeroespacial da UVA, foi destaque na edição de julho-agosto de 2024 da Cientista americano. O artigo explorou um artigo de Guo e seus colegas, que foi publicado no ano passado em Revisão Física Fluidos.

Em Harvard, a equipe do professor de ictiologia George V. Lauder fez vídeos de alta velocidade e alta resolução de trutas arco-íris nadando em tanques de água contendo partículas fluorescentes. As partículas permitem a visualização dos corpos dos peixes e do movimento da água.

Então, usando imagens de vários ângulos de câmera, a equipe da UVA desenvolveu modelos computacionais 3D e se concentrou em vórtices criados pela barbatana anal localizada logo à frente e abaixo da barbatana caudal.

A Mãe Natureza sabia exatamente como posicionar essa barbatana para um desempenho ideal. A turbulência que ela fomenta interage com o vórtice da barbatana caudal para turbinar a propulsão do peixe. Os modelos da equipe mostraram que mover a barbatana anal ou alterar seu tamanho diminuiu a eficiência da natação — um grande negócio de economia de energia quando você tem que nadar quilômetros rio acima para desovar.

A escola está em sessão

Dong, um membro do centro de pesquisa interdisciplinar Link Lab da UVA, cuja expertise abrange dinâmica de fluidos, biologia e robótica, disse que o artigo da American Scientist expandiu o alcance de sua pesquisa para pesquisadores nesses campos. Sua equipe está ajudando a lançar luz sobre questões de longa data, como o funcionamento de várias barbatanas de peixes.

“Nossas descobertas estão nos aproximando da replicação das habilidades superiores de natação dos peixes em nossos projetos de engenharia”, disse Dong. “Estamos testemunhando um número crescente de robôs bioinspirados semelhantes a peixes incorporando projetos multi-barbatanas para velocidade e eficiência.”

Com base nessa pesquisa, a equipe agora está se concentrando nos comportamentos de cardumes de peixes.

“Há um interesse crescente nessa área, levando a novas e intrigantes questões sobre o papel das barbatanas dos peixes em cenários de grupo”, disse Dong.

Entre sua equipe, o interesse levou à produção de novos vídeos — mais das animações computacionais vívidas que seu laboratório usa para desvendar os segredos ocultos da natureza.