Un team internazionale che riunisce l’EPFL (Svizzera), la Duke University (Stati Uniti) e l’Instituto Superior Técnico (Portogallo) ha studiato il nuoto intermittente, detto «bout-and-glide», utilizzando un robot ispirato al pesce zebra. Secondo i ricercatori, questo stile di nuoto, che alterna fasi di propulsione e fasi di planata, consuma meno energia di un nuoto continuo.
Migliorare le prestazioni energetiche permette di prolungare il tempo di funzionamento di un robot e di ridurre il carico della sua batteria. La natura ha già esplorato questa via: il nuoto intermittente è un comportamento diffuso tra organismi acquatici di dimensioni molto variabili, in particolare le larve di pesce zebra, il tetra dal naso rosso, la carpa koi e persino le balene. Questa modalità di nuoto alterna brevi fasi di ondulazione attiva del corpo e della coda, a fasi di planata passiva, con il corpo che rimane diritto e profilato.
Un robot ispirato al pesce zebra
Per studiare questo meccanismo, i ricercatori hanno sviluppato una piattaforma robotica ispirata alla larva di pesce zebra (ZBot). Il robot è in scala 200 volte superiore a quella della larva, con una lunghezza di 80 cm per una massa di 2,8 kg. La sua coda flessibile conta sei segmenti azionati da servomotori, mentre la testa ospita un controllore centrale che svolge il ruolo di sistema nervoso, telecamere ad alta precisione e wattmetri in tempo reale.
I team dell’EPFL e della Duke University hanno anche costruito un modello neurocomputazionale che simula i circuiti neuronali del pesce zebra. Si basa su generatori di pattern centrali (CPG), che producono segnali ritmici di ondulazione, e su un modulo di «porta di scatto» (bout gate). Quest’ultimo accumula i segnali di ingresso e innesca l’ondulazione della coda solo a partire da una soglia prefissata, riproducendo così il ritmo naturale «scatto attivo, planata passiva». Regolando la frequenza, l’ampiezza di oscillazione della coda e la soglia di questo modulo, ZBot riproduce diverse andature della larva: nuoto lento in linea retta, virate abituali e «J-turns». Il modello ha anche permesso di riprodurre la risposta optomotoria, guidata dalla visione, nel robot e in un gemello digitale, simZFish.
Il ruolo della viscosità
I ricercatori si sono anche chiesti se questo vantaggio energetico persistesse in fluidi più viscosi, come quelli in cui si muovono gli organismi molto piccoli. Il numero di Reynolds, grandezza adimensionale, confronta l’importanza delle forze d’inerzia e delle forze viscose in un flusso. I grandi animali, come le balene, nuotano a numeri di Reynolds elevati, mentre le piccole larve di pesce zebra si muovono in un regime intermedio, più fortemente influenzato dalla resistenza viscosa.
Per imitare organismi di dimensioni diverse, il team ha modificato la viscosità del liquido. Il fluido moderatamente viscoso, con una viscosità di 213,9 cP, è paragonato a una salsa per guarnizione di frutta, e il fluido molto viscoso, di 457,0 cP, a un olio struccante standard. In quest’ultimo, la distanza percorsa da ZBot è solo 1/30 di quella ottenuta nell’acqua normale. D’altra parte, la viscosità influisce poco sulla capacità di virata: l’angolo di virata per scatto è di circa 60 gradi nell’acqua normale e rimane di 45 gradi nel liquido molto viscoso.
Due ipotesi sul risparmio energetico
Gli esperimenti hanno confermato che il nuoto intermittente riduce il consumo di energia a tutte le velocità raggiungibili, sia ad alti che a bassi numeri di Reynolds. In compenso, la velocità massima ottenuta è circa il 60% di quella del nuoto continuo, a causa del ciclo limitato di scatti e planate.
L’ipotesi più spesso avanzata attribuisce questo guadagno alla postura diritta della coda durante la planata, che ridurrebbe la resistenza. Il team propone un’altra spiegazione, detta «dell’efficienza degli attuatori»: il nuoto intermittente permetterebbe ai servomotori del robot, o ai muscoli del pesce, di funzionare in regimi più efficienti. Secondo i ricercatori, i servomotori come i muscoli del pesce seguono una curva di efficienza a forma di U rovesciata, ottimale solo sotto carico moderato. A bassa velocità, il nuoto continuo li mantiene in uno stato sottocarico e poco efficiente, mentre il ciclo scatto-planata avvicina il carico a questo intervallo ottimale.
Gli autori ritengono infine che questi risultati possano guidare la progettazione di robot sottomarini, che potrebbero adottare una modalità intermittente per le crociere a velocità bassa o media, e una modalità continua per le manovre di emergenza ad alta velocità.
