鱼儿鱼儿水中游,机械工程揭密鱼鳍结构如何兼顾弹性与刚性

凝视水族缸中优游的鱼儿,对许多人来说是相当纾压的场景,鱼儿轻松挥动尾鳍、胸鳍,就能随心所欲地旋转、上浮、下潜,似乎是非常理所当然的画面。然而,从机械科学的角度来看,鱼鳍其实十分特别,若想达到鱼鳍的功能,需要具备能够自由调整变形的弹性,以及推动抵抗水流的刚性。而鱼鳍同时具备了刚性与弹性,其中的平衡效率,远非现今人类的机械设计所能企及。

近期美国科罗拉多大学波德分校(University of Colorado Boulder)机械工程学系的研究,揭露了鱼鳍的机械工程秘密,未来若要发展可变形又足够坚韧的手术工具或机翼设计,便有机会用得上这项让鱼鳍同时又灵活又坚固的结构。研究被发表于今(2021)年8月11日《科学机器人学》(Science Robotics)。

在此研究中,研究人员采用了多种方法,包括显微镜、电脑模拟、3D列印测试,以了解鱼鳍细部结构的组成,以及这些结构如何影响鱼鳍的功能。他们认为鱼鳍兼具弹性与刚性的关键,可能在于支撑鱼鳍的鳍条并非一体成形,而是一段一段组成的。由剖面来看,鳍条是由坚硬的骨化材料与富弹性的胶原蛋白共同组成,使得鱼鳍能在弹性与刚性之间取得完美的平衡。

主持研究的巴德拉特(Francois Barthelat),亦是本研究的通讯作者,对于水族相关的研究并不陌生。巴德拉特过去就曾发表过许多源自于水生生物的仿生材料发想,像是由鱼鳞结构探究如何设计改良人类装甲,以及由软体外壳的真珠层探讨如何制作更坚固的玻璃。而本次的发表显示,人们习以为常的鱼鳍,可能也一样非常有用。

能够兼顾坚硬与弹性的材料,一向是机械工程领域注目的焦点。举例来说,飞机设计一直尝试开发能随指令变形的机翼,让飞机在空中可以随时保有更大的机动性。而现阶段的飞机,其实可以做到某种层面上的“变形”,也就是放下与举起机翼附件的襟翼(flap);但相较于鸟儿的翅膀可以进行连续性变化,襟翼的改变却只能一次性地做出大范围调整,对于不同情境的应对弹性较差。如果未来有种可变形、又能维持强度的材料出现,或许将有机会做出可以更变形得更彻底,且能连续性改变的机翼,提升飞机的飞行效率。

过去我们已经知道,鱼鳍的灵活度非常高,多数的鱼鳍由20∼30根鳍条,中间覆盖皮肤组成,且每根鳍条都可以独自调整位置移动变形。此外,由于鱼鳍上头并没有肌肉,因此所有的操控都是靠鱼鳍基部的肌肉进行。了解鱼鳍的结构,可能对于发展类似的设计有帮助。

为了找出常见的鱼鳍如何达成材料科学上的难题,团队首先以显微镜观察其细部结构。鱼鳍上的每个(Photo by Klara Kulikova on Unsplash)鳍条皆为层状结构,看起来像中间挤满馅料的长形闪电泡芙:上下各有一层坚硬的材料hemitrichs,中间夹着较为松软富弹性的海绵状胶原蛋白。而hemitrichs在此并不是一块铁板,而是一节一节的组成鳍条。

尔后工程师团队利用电脑模拟,了解鱼鳍结构的机械原理。模拟显示,硬质部分的分节对鱼鳍的功能至关重要。若是鱼鳍的鳍条皆由胶原蛋白组成,将造成鱼鳍太过柔软、容易弯曲,无法在鱼儿游泳拨水时提供足够的推力;相反的,如果鳍条都是由未分节的坚硬材料hemitrichs组成,又会太过坚硬,无法提供鱼儿在游动时需要的弹性。

最终模拟结果显示,鳍条上坚硬材料的小分节,就是弹性与刚性的关键。如果一次性对整面鱼鳍上的鳍条施压,那它们就会出现相当大的刚性,让鱼鳍得以提供张力、在水中产生前进的动力;但如果试图弯折单一的鳍条,则该鳍条会相当柔顺,如此一来就让鱼鳍基部的肌肉得以控制鳍条变化。而这两者的结合,让鱼儿得以在水中优游。

研究人员进一步以3D列印模拟鱼鳍结构测试此理论,结果支持此一论点:有分节设计的塑胶鱼鳍,的确较能够兼具坚固与弹性的功能。

巴德拉特认为,我们目前对于鱼鳍功能潜力的了解,尚只有九牛一毛。举例来说,飞鱼能以胸鳍在空气中长距离滑行,而弹涂鱼则可以在陆地上使用鱼鳍行走,皆有许多值得探究之处。他也在新闻稿中表明,希望能够从机械工程学的角度,补上生物学家与动物学家未能接触到的研究方向,以材料机制的背景,更进一步了解自然世界的神奇之处。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/shengwu/2446.html