上海紐約大學(xué)供稿 編輯/清風(fēng)

為什么海里的魚、天上的鳥成群結(jié)隊(duì)卻不會(huì)相撞？一項(xiàng)發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）的最新研究發(fā)現(xiàn)，魚群和鳥群可以通過跟隨“領(lǐng)頭魚”和“領(lǐng)頭鳥”的尾波來避免類似情況的發(fā)生。該研究為動(dòng)物的群體運(yùn)動(dòng)機(jī)制提供了新的見解。

張駿教授是此項(xiàng)研究的領(lǐng)銜科學(xué)家之一，現(xiàn)任職于上海紐約大學(xué)。他也是華東師范大學(xué)－紐約大學(xué)物理聯(lián)合研究中心及數(shù)學(xué)聯(lián)合研究中心（上海紐約大學(xué)）的成員，同時(shí)兼任紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)研究所的應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，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(dòng)節(jié)奏的個(gè)體一起行進(jìn)。值得一提的是，正是這種現(xiàn)象讓較慢的追隨者可以通過尾波來跟上速度較快的領(lǐng)隊(duì)?！奔~約大學(xué)物理系博士生Joel Newbolt解釋道，他也是這項(xiàng)研究的第一作者。

眾所周知，魚和飛鳥經(jīng)常成群結(jié)隊(duì)地行進(jìn)，然而它們?cè)谌后w內(nèi)的互動(dòng)細(xì)節(jié)卻一直是一個(gè)未解之謎。

為了研究拍動(dòng)的翼型（鳥翅和魚尾）和周圍空氣、液體相互作用對(duì)群體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，研究人員在應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由兩個(gè)水翼組成的機(jī)動(dòng)裝置，用以模擬上下拍動(dòng)并向前游動(dòng)的翅膀或者魚鰭。兩個(gè)水翼分別由不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，基于拍打時(shí)翼型上產(chǎn)生的壓力和推力，它們可以自由地向前游動(dòng)。

研究人員設(shè)置了不同的撲動(dòng)頻率和幅度，用以模擬不同速度下的游魚和飛鳥。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一對(duì)可以在單獨(dú)行動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)不同游速的撲翼，在群體運(yùn)動(dòng)時(shí)卻可以和領(lǐng)隊(duì)留下的尾波相互作用，完成既不會(huì)分離也不會(huì)碰撞的群體游動(dòng)模式。

具體而言，追隨者在領(lǐng)隊(duì)留下的尾波中以不同的方式“沖浪”。當(dāng)它落后于領(lǐng)隊(duì)的時(shí)候，追隨者會(huì)得到領(lǐng)隊(duì)尾波的“推動(dòng)”而加速跟上。相反，如果移動(dòng)得太快，追隨者則會(huì)被領(lǐng)隊(duì)的尾波“推開”。

“這些流體力學(xué)機(jī)制為位于領(lǐng)頭者身后的追隨者們創(chuàng)造出了一些‘最佳座席’。”張駿教授說。

從廣泛意義上說，這項(xiàng)研究還為如何從河流、風(fēng)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(fēng)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(xù)發(fā)展的方法。”該研究的共同作者、紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)研究所助理教授Leif Ristroph說道。