為什么海里的魚、天上的鳥成群結隊卻不會相撞？

上海紐約大學供稿 編輯/清風

為什么海里的魚、天上的鳥成群結隊卻不會相撞？一項發表于《美國科學院院報》（PNAS）的最新研究發現，魚群和鳥群可以通過跟隨“領頭魚”和“領頭鳥”的尾波來避免類似情況的發生。該研究為動物的群體運動機制提供了新的見解。

張駿教授是此項研究的領銜科學家之一，現任職于上海紐約大學。他也是華東師范大學－紐約大學物理聯合研究中心及數學聯合研究中心（上海紐約大學）的成員，同時兼任紐約大學柯朗數學研究所的應用數學實驗室（AML）主任。

“在撲翼飛行或擺尾游泳的過程中，鳥或者魚在空氣或者水流中留下一種動態結構，這種尾渦可以防止群體間的碰撞和分離，甚至可以允許有著不同拍動節奏的個體一起行進。值得一提的是，正是這種現象讓較慢的追隨者可以通過尾波來跟上速度較快的領隊。”紐約大學物理系博士生Joel Newbolt解釋道，他也是這項研究的第一作者。

眾所周知，魚和飛鳥經常成群結隊地行進，然而它們在群體內的互動細節卻一直是一個未解之謎。

為了研究拍動的翼型（鳥翅和魚尾）和周圍空氣、液體相互作用對群體運動產生的影響，研究人員在應用數學實驗室進行了一系列的實驗。他們設計了一個由兩個水翼組成的機動裝置，用以模擬上下拍動并向前游動的翅膀或者魚鰭。兩個水翼分別由不同的電機驅動，基于拍打時翼型上產生的壓力和推力，它們可以自由地向前游動。

研究人員設置了不同的撲動頻率和幅度，用以模擬不同速度下的游魚和飛鳥。

研究結果發現，一對可以在單獨行動時實現不同游速的撲翼，在群體運動時卻可以和領隊留下的尾波相互作用，完成既不會分離也不會碰撞的群體游動模式。

具體而言，追隨者在領隊留下的尾波中以不同的方式“沖浪”。當它落后于領隊的時候，追隨者會得到領隊尾波的“推動”而加速跟上。相反，如果移動得太快，追隨者則會被領隊的尾波“推開”。

“這些流體力學機制為位于領頭者身后的追隨者們創造出了一些‘最佳座席’。”張駿教授說。

從廣泛意義上說，這項研究還為如何從河流、風等自然資源中獲取能量提供了潛在途徑。

“雖然我們目前使用風和水來幫助滿足我們的能源需求，但我們的研究為如何更加有效地利用它們提供了新的、可持續發展的方法。”該研究的共同作者、紐約大學柯朗數學研究所助理教授Leif Ristroph說道。