來源：技術鄰

作者：韓權

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 這種“拉格朗日擬序結構”的渦旋或許是揭開魚類運動機制的突破口

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?計算機模擬的魚類運動圖像

據國外媒體報道，動物界為機器人研究提供了無窮無盡的靈感，或許未來我們還可以見證機器動物園的誕生，觀賞機器獵豹、機器海豹、機器黃蜂、機器霸王龍等等。從實用性和美觀的角度，制造一條能游泳的機器魚是個不錯的主意；而且，它很可能將幫助我們在外星球的海洋中尋找外星生命。

不過，擋在水生機器人專家面前的還有一個難題：物理學家無法解釋魚是怎么游泳的。早在20世紀90年代，第一條機器魚——麻省理工學院研制的“robotuna”（仿生金槍魚）——就進行了水下實驗。盡管這項工作十分超前，但有關魚類如何推進的數學原理至今仍然模糊不清。

幸運的是，科學家正在逐漸接近目標。近日，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理工程師團隊展示了一項測定和模擬魚類游泳的新技術，他們的研究內容發表在《混沌》（Chaos）雜志上（《混沌》是一本頂尖數學期刊，刊登非線性動力學和非線性物理學上具有重要原創性的論文）。研究揭示，魚類的游泳比我們原本想象的復雜得多。論文共同作者、哈佛大學動物運動專家馬提亞·加佐拉（Mattia Gazzola）說：“這是一個很有趣的運動方式。所有人都或多或少知道魚是怎么游的，但其中的機制卻難以捉摸。”

魚類通過在水中創造出“結構”——三維的流體渦旋——來進行運動。通過身體的收縮、凹陷，魚制造出了一個渦旋，之后它們推開渦旋，并用尾鰭將渦旋甩開，向前推進。不過，研究者目前還無法測定推開這種渦旋的力量大小，這也減緩了機器魚研究的速度。當然，定量測量并不容易。加州理工學院生物推進實驗室的約翰·達比里（John Dabiri）說：“你可以在模型飛機上安裝壓力傳感器，然后在風洞中進行測量，但在動物身上還無法做到。”達比里并未參與這項研究。

馬提亞·加佐拉的團隊通過計算機模擬魚-水相互作用來研究這一問題，主要關注計算機模型魚與其制造出來的渦旋之間的動力交換機制。對這些所謂的“拉格朗日擬序結構”的定量測定，將有助于機器人設計專家開展接下來的工作。如果知道這些渦旋的旋轉機制，以及渦旋中的水含量，機器人專家或許就能夠設計出能向前推進的機器魚。

經過數百萬年的演化，自然界的魚類已經具有了無與倫比的游泳技能。它們比機器魚速度更快，效率更高。拉格朗日擬序結構似乎是研究魚類運動機制的突破口，有其他科學團隊也在利用這一方法進行研究。下一步，科學家希望用真實活動的魚類來證實這一模型。（任天）