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Rubrik: Tagesberichte
Simulation von aalförmigem Schwimmen
Schnell oder effizient?

Published: 19.04.2007 06:00
Modified: 17.04.2007 11:37

Aale verfügen über verschiedene Bewegungsformen, je nach dem, wie schnell oder wie weit sie vorwärts kommen wollen. Das haben Informatiker der ETH Zürich mit einem dreidimensionalen Computermodell berechnet.

Von Felix Würsten (mailto:<email-pii>)
Aale sind ausdauernde Schwimmer. Europäische Aale etwa wandern von ihren Laichgründen in der Sargasso See bis nach Europa, von wo aus sie am Ende ihres Lebens wieder zurück kehren. Diese 6000 Kilometer lange «letzte Reise» legen die Tiere fastend zurück, da sich ihr Verdauungssystem auflöst. Schon seit längerem ist es für Biologen daher klar, dass die typische wellenförmige Fortbewegung dieser Tiere sehr effizient sein muss. Untersucht man die Bewegung im Aquarium jedoch genauer, dann ergibt sich ein widersprüchliches Bild: Der Aal, so das erstaunliche Resultat, scheint beim Schwimmen nicht sehr haushälterisch mit seinen Kräften umzugehen. Stefan Kern und Petros Koumoutsakos vom Institut for Computational Science der ETH Zürich konnten nun mit Hilfe einer dreidimensionalen Computersimulation zeigen, dass zwischen den beiden Beobachtungen kein Widerspruch besteht. (1) Vielmehr setzt der Aal je nach Situation verschiedene Schwimmformen ein.Evolutionärer Algorithmus
Die Bewegung der Körper wurde im Computermodell nicht a priori definiert, sondern mit einem evolutionären Algorithmus ermittelt, der sich an Darwins «Survival of the fittest»-Prinzip anlehnt. Das Bewegungsmuster der Tiere wird im Modell mit einem Satz von Parametern beschrieben. In einem ersten Schritt definiert der Computer eine Population von Tieren, welche unterschiedliche Parameter aufweisen. Diejenigen Tiere, welche am besten abschneiden, werden danach vom Programm als Eltern für die nächste Generation ausgewählt. Der Selektionszyklus wird solange wiederholt, bis sich eine stabile Population etabliert hat. Als Selektionskriterium wurde einzig vorgegeben, dass die Tiere entweder besonders schnell oder besonders energieeffizient schwimmen sollen.
Die Berechnungen zeigen nun, dass je nach Vorgabe eine ganz andere Bewegung resultiert. Will ein Aal möglichst schnell schwimmen, zum Beispiel weil er flüchtet oder Beute jagt, dann hält er den vorderen Teil des Körpers gerade und bewegt nur den Schwanz. Tiere, die möglichst effizient schwimmen wollen, setzen hingegen den gesamten Körper ein und machen dabei die typisch wellenförmige Bewegung. Der Unterschied zwischen den zwei Schwimmformen ist bemerkenswert: Mit der Schwanzbewegung kommt ein Aal 40 Prozent schneller voran als wenn er den ganzen Körper bewegt. Doch dafür zahlt er einen hohen Preis: Die Effizienz ist im Vergleich zur ruhigen Wellenbewegung sage und schreibe 60 Prozent geringer.
Die verwendeten Berechnungs- und Optimierungsmethoden können auch auf andere Schwimmarten oder neuartige Antriebssysteme angewendet werden, so zum Beispiel auch für den schwimmenden Zeppelin (2) der an der Empa Dübendorf entwickelt wird. Aalförmige Bewegungen tauchen auch in der nachhaltigen Stromerzeugen mittels Wellenkraftwerken (Pelamis) auf (3) .
Die Resultate der Aalsimulationen wurden in Zusammenarbeit mit Kristina Eschler von der Hochschule für Gestaltung und Kunst in einer Animation zusammengefasst, welche einen Award der Gallery of Fluid Motion der American Physical Society (APS) gewann. (4)Footnotes: