Menu

Pesci robot assassini! Il futuro degli oceani.

PESCI ROBOT ASSASSINI: NUOVI ALLEATI DELLA SCIENZA E NON SOLO.

Ho sempre trovato affascinante guardare migliaia d’individui in grado di muoversi tutti insieme e cambiare direzione in frazioni di secondo, magari per sfuggire all’attacco di qualche predatore.

Probabilmente sono solo un biologo marino, e come tale, un po’ Piero Angela e un po’ Ethan Hunt.

“Ok Nicola, sei un supereroe, ma questo che diamine c’entra con i pesci robot assassini?”

Te lo spiego subito, e te lo garantisco, ne rimarrai stupefatto. Prima, però, mi è necessaria una piccola premessa.

Il comportamento sopra descritto, viene anche detto schooling. Durante il corso della tua vita, ti sarai sicuramente chiesto come, i pesci, riescano a coordinare tra loro i movimenti e chi sia il responsabile della direzione che il banco di pesci prende in modo così repentino. Decide ognuno per sé o, come nel film Alla ricerca di Nemo, qualcuno nel gruppo ordina che bisogna “nuotare verso il basso”?

Mi spiace darti subito una delusione, ma purtroppo questo breve articolo non ti fornirà le risposte definitive a tutte queste domande. Non perché non ne abbia voglia, ma perché molti aspetti rimangono ancora in attesa di essere chiariti. Lo scopo di quest’articolo non è nemmeno quello di fornirti l’ennesima panoramica sullo schooling.

Perciò, se è questo che cercavi, smetti pure di leggere! Anche se, così facendo, non potrò spiegarti il mio vero obbiettivo.

Dai, ammettilo, ti ho incuriosito! Vuoi sapere cosa mi ha spinto a scrivere questo post? Presto detto.

Voglio usare lo schooling come punto di partenza per andare a scoprire uno dei settori più in fermento della ricerca biotecnologica.

Ti svelo subito un segreto: alcune delle ricerche condotte sullo schooling sono a dir poco stupefacenti quanto il fenomeno che studiano. Per comprendere le dinamiche all’interno di questi banchi, diversi ricercatori si sono messi a progettare e utilizzare pesci artificiali, veri e propri pesci robot “assassini” le cui future potenziali applicazioni in ambito biotecnologico non si limitano solo alla ricerca scientifica.

Questi piccoli gioielli di tecnologia moderna sono il futuro degli oceani. Potrebbero diventare gli assassini dell’inquinamento (eccoti spiegato il titolo ad effetto), riuscendo a salvare innumerevoli specie ittiche e non solo. Ti sarà tutto molto più chiaro, proseguendo la lettura.

Per comprendere cosa abbia in serbo per noi il futuro, bisogna partire dal principio. Tra pochissimo ti spiegherò cos’è lo schooling, le possibili ragioni alla base di questo comportamento e cosa i pesci robot ci hanno aiutato a scoprire.

Schooling Vs Shoaling.

In natura possiamo distinguere due diversi tipi di aggregazione tra pesci, lo schooling e lo shoaling. Utilizzo il termine inglese perché in italiano entrambi i termini vengono tradotti come banco. Dal punto di vista ecologico le differenze sono però sostanziali. Si parla infatti di school quando il banco è caratterizzato da un movimento sincrono e unidirezionale (Pitcher, 1986). I pesci si muovono quindi nella stessa direzione, nello stesso momento. Quando invece i pesci si riuniscono per qualche ragione ecologica o sociale (es. riproduzione, alimentazione) si parla di shoal (Kennedy, 1975; Pitcher 1983). Entrambe le tipologie di gruppo sono presenti in numerose specie ittiche (Krause, 2002).

Perché ai pesci piace stare in gruppo?

Come in quasi tutte le cose a questo mondo, anche lo schooling presenta svantaggi e vantaggi. Tra i primi troviamo ad esempio una maggior competizione per il cibo e per potersi riprodurre (Krause, 2002).

Mi spiego meglio. Ti è mai capitato di trovarti in un negozio e adocchiare un fantastico articolo in saldo? Ecco, quando sarà più semplice acquistarlo? Quando sei l’unico cliente presente nel punto vendita o durante il black friday, quando una folla inferocita possiede le tue stesse intenzioni?

Lascio rispondere a te.

Tuttavia, è altrettanto facile immaginare perché possa convenire stare in gruppo. Del resto l’unione fa la forza, giusto? È stato ipotizzato che, attraverso la formazione di schools, i pesci possano meglio sfuggire ai predatori (Neill, 1974), aumentare l’efficienza dell’alimentazione (Morgan, 1988) e diminuire il costo energetico associato al nuoto (Herskin, 1998). Quest’ultimo punto è particolarmente interessante e ci servirà come base di partenza per meglio comprendere l’utilità dei pesci robot.

Come detto prima, stare in gruppo sembra faccia faticare meno. Al pari dei ciclisti, anche ai pesci fa comodo stare in scia. Questo però ci conduce ad un primo interrogativo. Se è vero infatti che nuotare nelle retrovie può risultare conveniente, d’altra parte ci saranno dei pesci, quelli davanti a tutti, a cui invece toccherà pinneggiare non poco per potersi muovere.

Che cosa determina la posizione di un pesce all’interno del gruppo?

Tra le possibili risposte sembrano esserci fattori fisiologici (Killen, 2011) e comportamentali (Domenici, 1994). Ad esempio, è stato osservato che i pesci nelle prime file di schools di cefalo dorato (Liza aurata) presentano tassi metabolici e capacità aerobiche più alte (Killen, 2011): sono quindi in grado di resistere meglio all’attrito dell’acqua e di nuotare in maniera più efficace. In parole povere a fare più fatica sembrano essere proprio i pesci più “resistenti”. L’esistenza di differenze tra individui ha conseguentemente portato all’ipotesi che all’interno del gruppo, pesci diversi possano giocare ruoli diversi e in particolare che vi possano essere dei leader (Harcourt, 2009). Pesci in grado di influenzare e dirigere tutti gli altri.

pesci robot | Biochronicles

Arrivano i pesci robot assassini.

Ovviamente il metabolismo non è l’unico fattore a determinare la forma dello school e il comportamento dei pesci al suo interno. Oggi, sappiamo che sono numerosi gli stimoli (es. segnali visivi e/o chimici) che partecipano a regolare la formazione dei banchi (Ward, 2010). Isolare questi fattori, per poterli studiare in condizioni sperimentali, rimane tuttavia difficoltoso.

Ed è qui che entrano in gioco i pesci robot. Avendo il controllo sulle loro caratteristiche e sul loro comportamento, i ricercatori hanno la possibilità di lavorare in un ambiente sperimentale controllato e diminuire, quindi, la forte variabilità che si avrebbe con studi di tipo “classico”.

L’obiettivo a lungo termine di queste ricerche, una volta compresi i meccanismi alla base del fenomeno, è quello di poter controllare i banchi, prendendone il controllo, attraverso l’introduzione negli schools di leader artificiali.

Molte di queste ricerche, fa sempre piacere dirlo, parlano italiano. Diversi studi sono stati infatti coordinati da Maurizio Porfiri, professore al Polytechnic Institute della New York University. Attraverso un approccio multidisciplinare, comprendente matematica, ingegneria meccanica e biologia, i ricercatori hanno cominciato a studiare come deve essere fatto un pesce-robot e cosa deve fare per poter interagire con i pesci in carne e ossa. Studiando le interazioni tra pesce e robot potrebbe infatti essere possibile modellizzare e quindi prevedere le interazioni che avvengono in natura.

Alcuni di questi studi hanno riguardato il risparmio energetico dovuto al nuotare in gruppo che abbiamo discusso prima. Nella fotografia sottostante, tratta da una ricerca del 2012 (Marras, 2012), possiamo vedere alcuni dei risultati ottenuti. Ciascuna colonna è composta da 4 istantanee, prese a intervalli di tempo di 60 secondi. In ognuna di esse possiamo vedere il pesce robot nuotare insieme ad un Notemigonus crysoleucas (Golden Shiner). La velocità della corrente generata nelle vasche è la stessa in entrambi gli esperimenti. La variabile è invece la frequenza della pinneggiata del pesce robot.

Possiamo notare che, a determinate frequenze (esperimento di sinistra), il pesce tende a mantenere una posizione costante rispetto al robot. Secondo i due autori dell’articolo questo potrebbe essere dovuto alla creazione da parte del robot di micro-vortici nella massa d’acqua circostante.

Tutto ciò si traduce in una modificazione della corrente e un conseguente risparmio energetico per il pesce. Può sembrare un risultato non troppo emozionante, ma se ci pensate un attimo, questo studio, ci sta mostrando come il robot sia in grado, se programmato correttamente, di interagire col pesce e modificarne il comportamento.

Esperimento pesci robot | Biochronicles

Sono ovviamente i primi passi, mossi in questo affascinante mondo ancora costellato da tantissimi punti di domanda. Un grosso interrogativo rimangono le differenti risposte in condizioni uguali da parte degli individui studiati. Gli stessi autori hanno proposto due diverse ipotesi per spiegare il differente comportamento di alcuni pesci. In primo luogo, gli individui scelti potrebbero essere stati caratterizzati da capacità aerobiche diverse. Abbiamo visto, prima, che metabolismo e capacità aerobica sembrano essere tra i fattori importanti per la posizione dei pesci nello school. Alcuni dei pesci studiati potrebbero quindi non aver avuto bisogno “d’aiuto” da parte del robot e si sarebbero quindi posizionati davanti a quest’ultimo. Alcuni individui potrebbero invece aver visto il robot come un predatore attuando quindi comportamenti diversi.

Pesci robot | Biochronicles

Anche l’aspetto del robot, quindi, sembra giocare un ruolo molto importante. In un lavoro (Polverino, 2013), simile a quello visto adesso, i ricercatori hanno osservato che i pesci mantenevano più a lungo la posizione vicino al robot quando questo presentava un aspetto e una dimensione paragonabile a quelle osservate, per la specie, in natura.

Possibili applicazioni.

Nonostante gli studi avvengano ancora in “bacinelle” piene d’acqua, e nonostante la strada verso l’oceano sia ancora lunga, è proprio l’oceano il luogo in cui i pesci robot potranno essere impiegati un giorno. L’identificazione e lo studio delle dinamiche che regolano gli schools non sono infatti l’unico scopo di queste ricerche. Una volta spiegati i meccanismi attraverso i quali i banchi di pesci si muovono, i pesci robot potrebbero essere inseriti negli schools per regolarne e dirigerne gli spostamenti. Inoltre, la possibilità di impiegare pesci telecomandati per deviare e spostare interi gruppi di animali, apre la strada a diverse potenziali applicazioni in ambito biotecnologico.

Potrebbero, per esempio, rivelarsi utili in caso di disastri ambientali (Marras, 2012): fuoriuscite incontrollate di greggio o altro materiale inquinante. Riuscire ad allontanare i pesci dalle zone colpite potrebbe garantire la loro sopravvivenza e diminuire il costo ambientale di tali catastrofi, letteralmente assassinando l’inquinamento.

All’orizzonte, però, potrebbero celarsi anche scopi meno “nobili”. Niente potrebbe infatti impedire  di utilizzare questi pesci artificiali per deviare banchi interi, assicurandosi  maggiori riserve per la pesca. In un pianeta in cui il pesce diventa un bene sempre più raro, questa possibilità non può e non deve essere ignorata.

Alla fine la “bontà” di una nuova tecnologia dipende sempre e comunque dall’uso che ne viene fatto.

Bibliografia:

  • (Aureli, 2010) Aureli M, Fiorilli F, Porfiri M. Proceedings of the ASME 2010 Dyanmic Systems and Control Conference. September 12-15 2010, Cambridge Massachusetts USA. ASME, 2010
  • (Domenici, 1994) Domenici P, Batty RS. Escape maneuvers of schooling Clupea harengus. Journal of Fish Biology (1994);45: 97-110
  • (Harcourt, 2009) Harcourt JL, Ang TZ, Sweetman G, Johnston RA, Manica A. Sociral feedback and the emergence of leaders and followers. Current Biology (2009); 19: 248-252
  • (Herskin, 1998) Herskin J, Steffensen JF. Energy savings in sea bass swimming in a school: measurements of tail beat frequency and oxygen consumption at different swimming speeds. Journal of fish biology (1998);53(2):366-376
  • (Kennedy, 1975) Kennedy GJA, Pitcher TJ. Experiments on Homing in Shoals of the European Minnow, Phoxinus phoxinus (L.). (1975) Transactions of the American Fisheries Society, 104. 452-455
  • (Killen, 2011) Killen SS, Marras S, Steffensen JF, McKenzie DJ. Aerobic capacity influence the spatial position of individuals within fish schools. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2011)
  • (Krause, 2002) Krause J, Ruxton GD. Living in groups. Oxford, UK: Oxford University Press. 2002
  • (Marras, 2012) Marras S, Porfiri M. Fish and robots swimming together: attraction towards the robots demands biomimetic locomotion. Interface (2012); 12 (107).
  • (Morgan, 1988) Morgan MJ. The effect of hunger, shoal size and the presence of a predator on shoal cohesiveness in bluntnose minnows, Pimephale notatus Rafineseque. Journal of Fish Biology (1988); 32: 963-971
  • (Neill, 1974) Neill SR, Cullen JM. Experiments on whether schooling by their prey affects the hunting behaviour of cephalopods and fish predators. (1974). Journal of Zoology; 172: 549-569
  • (Pitcher, 1983) Pitcher TJ. Heuristic definitions of shoaling behaviour. Animal Behaviour, 1983: 611-613
  • (Pitcher, 1986) Pitcher TJ. Functions of shoaling behaviour in teleosts. Springer US; 1986. 294-337
  • (Polverino, 2012) Polverino G, Abaid N, Kopman V, Macrì S, Porfiri M. Zebrafish response to robotic fish: preference experiments on isolated individuals and small shoals. Bioinspiration & Biomimetics (2012)
  • (Polverino, 2013) Polverino G, Phamduy P, Porfiri M. Fish and Robots Swimming together in a Water Tunnel: Robot Color and Tail-Beat Frequency Influence Fish Behaviour. PLOS-One (2013)
  • (Ward, 2010) Ward AJW, Mehner T. Multimodal mixed messages: the use of multiple cues allows greater accuracy in social recognition and predator detection decisions in the mosquitofish, Gambusia holbrooki. Behavioural Ecology (2010); 21: 1315-1320

 

A cura di Nicola Conci. Revisionato da Giulio Libertini.


About the Author : Nicola Conci

Biologo Marino. Giramondo. Inguaribile ottimista. Appassionato di mare.

0 Comment

Leave a Comment

Your email address will not be published.

Related post

  TOP