Hoe vogels in zwermen vliegen

11 juni 2018

Veel vissen zwemmen in scholen en veel vogels vliegen in zwermen. Zulk collectief gedrag moet voortkomen uit de interactie tussen de dieren. Maar hoe dat werkt was onduidelijk. Wageningse onderzoekers komen met een belangrijk inzicht in het mechanisme hierachter. Marcel Workamp en collega’s ontwikkelden een modelsysteem waarmee zij aantonen dat zwermgedrag wordt gestuurd door wrijving.

Het modelsysteem dat promovendus Marcel Workamp en Joshua Dijksman aan Wageningen University & Research in nauwe samenwerking met collega’s van North Carolina State University (Raleigh, VS) ontwikkelden, is sterk geïnspireerd door het arcadespel ‘air hockey’. Doordat continu lucht door gaatjes in de tafel wordt geperst, zweeft de ‘puck’ in air hockey (de vogel) zonder wrijving over de tafel. Om de puck voortstuwing mee te geven maakten de onderzoekers kleine ventilatiekanalen in alle pucks, zodanig dat de lucht vanaf de tafel elke puck spontaan eenzelfde draairichting geeft. Deze rotatierichting was in het model tegen de wijzers van de klok in ofwel linksom.

Deze simpele toevoeging reeds, leidt tot bijzonder collectief gedrag. Dijksman en collega’s gebruiken een cirkelvormige tafel waarin een toenemend aantal pucks is geplaatst die alle individueel tegen de klok in draaien. Met behulp van beeldanalyse volgden zij nauwkeurig de positie van elke puck.

Wat blijkt? Als er maar weinig pucks zijn, botsen de pucks vooral met de buitenwand. Dit leidt er toe dat de algehele beweging van de pucks ten opzichte van de cirkelvormige tafel, met de klok mee is. Naarmate er meer deeltjes (pucks) worden toegevoegd, gebeurt er iets opzienbarends: de gemeenschappelijke bewegingsrichting van de pucks keert om. Ze bewegen met z’n allen tegen de klok in.

Collectief gedrag door interacties
Dit collectieve gedrag ontstaat door botsingen tussen de deeltjes, waarbij ze de energie van hun rotatie inwisselen voor bewegingsenergie. Deze uitwisseling kan alleen plaatsvinden als er voldoende wrijving is tussen de deeltjes. Immers, dan is de uitwisseling van energie het grootst.

Onderlinge wrijving versterkt collectief gedrag
Om de wrijving tussen de pucks verder te verhogen maakte het onderzoeksteam met 3D-printen kleine ‘oortjes’ op de pucks. Op die manier konden zij het collectieve gedrag versterken. Zo blijkt dat het aantal deeltjes dat nodig is om de verandering van de bewegingsrichting te bewerkstelligen, sterk af te nemen door het toevoegen van de oortjes. Zonder de wrijvingsverhogende oortjes waren er meer pucks nodig om de gezamenlijke bewegingsrichting om te keren.

Geldig voor vogels, vissen en gassen
De observaties tonen aan dat individuele deeltjes in het model, vogels in zwermen of vissen in scholen, op basis van enkel hun onderlinge wrijving zwermgedrag vertonen, dus ook zonder elkaar te ‘zien’. Frappant is dat de actieve deeltjes zich ook houden aan de wetten die gelden voor passieve, moleculaire gasdeeltjes in een gaswolk, waar de deeltjes, gestuurd door de temperatuur, ook een collectief gedrag vertonen.

Het modelsysteem van Dijksman laat dus zien dat je met weinig ingrediënten al goed controleerbaar collectief gedrag kunt realiseren. Het onderzoek is daarmee niet alleen relevant voor het begrip van zwermgedrag in dieren, maar ook voor het ontwikkelen van nieuwe materialen waarin de activiteit van individuele deeltjes tot nieuwe materiaaleigenschappen kan leiden.