工程师揭开鱼鳍的秘密是什么(工程师揭开鱼鳍的秘密)

凝视任何一个鱼缸，我们会看到鱼类大多拥有灵活的鳍，只需轻弹几下，就可以转圈、潜入深处甚至浮出水面。近期由科罗拉多大学领导的新研究揭示了鱼鳍工程秘密，该团队的见解有朝一日可能会导致机器人手术工具甚至飞机机翼的新设计。

1.鳍的构造

该研究的资深作者弗朗索瓦·巴特拉特指出，鳍虽然没有一块肌肉，但它是由许多坚硬的‘线条’组成的，大约有20或30条，这些线条中的每一条都可以像手指一样单独操纵。

巴特拉特和他的同事利用一系列方法，包括计算机模拟和3D打印材料，深入研究这些灵活结构的生物力学。报告显示，鱼鳍的关键可能在于它们独特的设计。鳍中的每条都由多段硬质材料组成，这些硬质材料堆叠在更柔软的胶原蛋白之上，使它们在弹性和刚性之间达到完美平衡：“这是一种双重能力，鳍可以变形，但它们在推水时也可以变硬。”

鱼鳍中一条射线的特写图像，处于放松的顶部和弯曲的底部状态

2.装甲和飞机

巴特拉特对水族馆的研究并不陌生，他之前曾研究过鱼鳞如何帮助工程师为人类设计更好的防弹衣，以及贝壳如何制造更坚固的眼镜。在工程方面，既坚硬又灵活的材料是一种热门商品。例如，飞机设计师长期以来一直对开发可以根据指令变形的机翼很感兴趣，让飞机在保持在空中的同时拥有更多的机动能力。

“在某种程度上，飞机现在会在放下襟翼时这样做，”巴特拉特说：“但这是一种僵化的方式，相比之下，由变形材料制成的机翼可以更彻底、更连续地改变其形状，就像一只鸟。”鳍中的每条射线都有分层结构，尖刺部分包括两层坚硬的“材料”，称为hemitrichs，围绕着海绵状胶原蛋白的内层。但是层状的 hemitrichs并不是固体，它们被分成几部分，目前还没有被人类完全认知。

3.游泳、飞行和步行

工程师和他的团队决定使用计算机模拟来检查鳍的“机械”性能。如果鱼鳍完全由胶原蛋白组成，它们可以很容易地弯曲，但不会在水中给鱼带来太大的牵引力。

巴特拉特说：“当你试图压缩或拉动这些骨层时，它们会产生非常高的刚性，这对于抵抗并产生推动水的反作用力非常有用。但是如果你试图弯曲单个骨层，它们就会非常柔顺，这部分属于基础肌肉的变形至关重要。”

研究人员通过使用3D打印机生产由塑料制成的模型鱼鳍，进一步测试了该理论，其中一些带有内置铰链，一些没有，团队发现分段设计提供了更好的刚度和变形能力的组合。巴特拉特补充说，他和他的同事们只是触及了鱼类世界中部分鳍的表面。例如，飞鱼会展开鳍在水面上滑行，而弹涂鱼则像腿一样使用鳍在陆地上行走，他说：“我们需要在材料力学方面的背景下，进一步了解自然界生物的特性。”

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