制作：科普中國

制作：蘇正宇

主任：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

這似乎是理所當然的問題?！棒~有鰭，人有腳一樣，魚會游泳?！?

如果嫌這句話麻煩甚至可以用"因為它是魚，所以它會游泳"這種方式來回答。

但真相真的是這樣嗎？魚鰭是魚游泳的主要動力來源嗎？

如果深究下來，你會發(fā)現(xiàn)這個問題其實并不簡單。

圖源：Giphy 動圖

很早之前，人們就認識到，游泳是動物最省力的運動方式。

走路、飛行、游泳，如果讓你選擇一種方式從A點移動到B點，你會怎么選？

我想大部分人都會選擇飛行。

確實，對于個體來說，飛行是最快的運動方式，但如果單從消耗能量大小的角度來考慮，飛行卻不是最優(yōu)解。

科學家研究發(fā)現(xiàn)，同樣要移動1km，松鼠爬行需要消耗22.73J的熱量；海鷗飛行需要消耗6.07J的熱量；鮭魚游泳只需要消耗1.63J的熱量，大約只有松鼠的1/20，海鷗的1/6。

就算是找一個和鮭魚一模一樣的物體，用同樣的速度把它放到水里拖動它移動1km，科學家發(fā)現(xiàn)會游動的鮭魚消耗的能量只有前者的1/7-1/8。

很顯然，游泳是動物最省力的方式。

魚既然游泳那么高效，人類肯定會想去模仿它，去創(chuàng)造一個和魚運動方式一樣的水下推進裝置。

你也許會想，我們不是已經(jīng)有潛艇了嗎？

但即使是最快的核潛艇，用螺旋槳推進的它時速只有44.7節(jié)，也就是每小時80.4公里。水里游得最快的旗魚，速度可以達到每小時112公里。

不止是速度的問題，潛艇推進時噪音大、耗能高，并且高速旋轉的螺旋槳還會產(chǎn)生空蝕效應，導致螺旋槳磨損。

所以人類一直想去模仿魚的游動方式，設計出更先進的水下載具，這也就是仿生。

但想去模仿，就得先搞懂魚游泳的原理。

那第一個問題來了，選哪種魚作為研究對象呢？

如果仔細觀察魚的運動方式，你會發(fā)現(xiàn)大部分的魚運動方式大抵相同：利用尾部和身軀肌肉的收縮進行有規(guī)律的左右扭動，專業(yè)上這稱為身體/尾鰭推進模式(Body and/or caudal fin, BCF)。

魚的游動方式｜圖源：

科學家發(fā)現(xiàn)，不同的魚，扭動的幅度大小和頻率不太一樣，但核心都是在于扭動。

當然，魚鰭的擺動在游動時也起到一定的作用，主要是調(diào)整方向，最主要的動力還是來自于身軀的扭動，特別是當魚快速移動的時候。

所以，魚鰭并不是魚游泳的主要的動力來源，而是軀干的扭動。

不同魚的魚鰭大小、形狀不一樣｜圖源：

既然魚的主要運動方式是靠軀干的扭動，那就研究它們扭動的細節(jié)就好了。

前面說了，不同的魚擺動的幅度不太一樣，有的幅度大，有的幅度小。扭動幅度大的稱為波動式，扭動幅度小的稱為擺動式。不

管怎么分類，這兩種推進模式在基本運動原理都一樣。

不同的魚扭動的幅度不一樣｜圖源：文獻3

而作為科學研究，肯定優(yōu)先找那些擺動幅度大的魚來作為研究對象，因為運動幅度越大，越容易觀察到擺動的細節(jié)。

那什么魚擺動幅度比較大呢？

自然是黃鱔、鰻鱺之類的長條魚，因為身型越長條，利用肌肉收縮為動力產(chǎn)生的波浪式運動越明顯。

鰻魚的運動方式主要依靠軀體的波浪式運動｜圖源：giphy 動圖

所以很早的時候，科學家就拿鰻魚之類的長條魚來做實驗，主要用高速攝影的方式來拍攝它們的運動方式。

利用攝影技術來研究魚的運動方式，有很大的局限性。

魚是自由的，它在水箱里游來游去都是隨心所欲的，更不會做出特定的動作來滿足科學家的研究需求。

為了定量分析魚在游動過程中的振幅、頻率、前進速度等參數(shù)，有科學家設計了一個能讓一條死魚軀體產(chǎn)生波狀游泳動作的機械裝置。

這個裝置通過在魚的身體上插一排長桿，然后搖動裝置上的凸輪來控制魚的動作。

當凸輪轉動的時候，動桿就會驅(qū)動魚體產(chǎn)生預定的波狀運動。

這樣科學家就可以讓魚按照自己想要的方式進行運動，可以更方便地研究出具體的參數(shù)。

記錄下魚運動的方式很多，但不管什么研究方式，最后都還是要總結成理論模型，才能了解運動的具體機制。

通過觀察科學家發(fā)現(xiàn)，在魚的游動過程中，魚體的肌肉會按從頭至尾的順序進行收縮，身體逐個部位彎曲，產(chǎn)生向后的運動波，進而推動水流產(chǎn)生向前的推力。

鮭魚的肌肉排列順序｜圖源：

至于這個推力是如何產(chǎn)生的，主要有兩個理論來解釋：

阻力理論（RFT）& 細長體理論（EBT）

• 阻力理論

這是英國物理學家弗里·泰勒（Geoffrey Taylor）在1952年提出的，在阻力理論中，一個物體會被分割成無窮小的部分，每一個部分都會產(chǎn)生推力和阻力。

當魚產(chǎn)生波浪式運動時，那么垂直于魚體方向的阻力比平行于魚體方向的阻力大。其結果是在平行方向，也就是前進的方向上，產(chǎn)生一個推力。

阻力理論｜圖源：AIP Publish

• 細長體理論

這是一位英國數(shù)學家詹姆斯·萊特希爾（James Lighthill）在1960年提出的，和前面的阻力理論完全不一樣，他認為推動魚前進主要依靠的是水的慣性。

這使得魚體作為一個平面，可以通過小振幅的波動產(chǎn)生推力。

這兩個理論之間的最主要區(qū)別在于所產(chǎn)生的力量的類型。

泰勒理論認為，讓魚向前游動的力產(chǎn)生于阻力，阻力的作用方向和魚的運動方向相反，但與物體的運動速度相一致；萊特希爾則認為魚向前的游動的力產(chǎn)生于反作用力，其作用方向與作用力相反，并與加速度保持一致。

后來一個北京計算機科學研究中心的團隊，通過超級計算機的模擬，對兩個理論進行了驗證。

之后發(fā)現(xiàn)兩個理論都是對的，但不同的魚情況不太一樣。

這主要還是和魚的形狀有關，長條形的魚，比如鰻魚，它在波動的時候，軀干部分產(chǎn)生的阻力是最主要的，因為這部分力的作用相對平滑和均勻。

模擬鰻魚的主要運動方式｜圖源：文獻1

而對于鯖魚，這類形狀比較普通的魚，它在擺動的時候，雖然也依靠軀干部分的阻力，但尾鰭左右擺動產(chǎn)生的反作用力也同樣很重要。

模擬鯖魚的運動方式｜圖源：文獻1

簡單來說，身型越長條的魚，越依靠軀干部分產(chǎn)生的作用力，身型越短的魚，越依靠尾鰭產(chǎn)生的作用力。

將動力移到尾部的魚有一個缺點，那就是魚體很容易失去側向平衡，也就是說，它一擺尾就可能會引起頭部的搖擺。

對于這點，鲅魚通過演化，把自己身體中部垂直面提高，增重軀干前面的重量（可以說是增加配重），來增大左右擺動的阻力，避免了游泳的時候偏來偏去。

雖然科學家最終搞清楚了魚到底是如何游動的，但他們并沒有搞懂魚游動過程中能量是如何轉移利用的，這也是為什么直到現(xiàn)在，我們還沒能造出一個完美的仿生魚游動裝置。

之前造出來的仿生魚雖然可以模擬魚的游動效果，但問題還有一大堆：要么游得太慢，要么功耗太高，要么軀體過大，要么結構復雜。

各式各樣的仿生魚｜圖源：文獻2

魚游泳很容易見到，但即使是身邊常見的現(xiàn)象，要搞清楚原理也很難，要復制它則更難。

在大自然面前，人類的知識真的好渺小…

參考文獻：

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[3];dbcode=CRJT_CJFD&dbname=CRJT_CJFDTOTAL&v=

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