工程師揭開魚鰭的秘密

丹尼爾

鰭的構造

凝視任何一個魚缸，我們會看到魚類大多擁有靈活的鰭，只需輕彈幾下，就可以轉圈、潛入深處甚至浮出水面。近期由科羅拉多大學領導的新研究揭示了魚鰭工程秘密，該團隊的見解有朝一日可能會導致機器人手術工具甚至飛機機翼的新設計。

該研究的資深作者弗朗索瓦·巴特拉特指出，鰭雖然沒有一塊肌肉，但它是由許多堅硬的‘線條組成的，大約有20或30條，這些線條中的每一條都可以像手指一樣單獨操縱。

魚鰭中一條射線的特寫圖像，處于放松的頂部和彎曲的底部狀態

巴特拉特和他的同事利用一系列方法，包括計算機模擬和3D打印材料，深入研究這些靈活結構的生物力學。報告顯示，魚鰭的關鍵可能在于它們獨特的設計。鰭中的每條都由多段硬質材料組成，這些硬質材料堆疊在更柔軟的膠原蛋白之上，使它們在彈性和剛性之間達到完美平衡：“這是一種雙重能力，鰭可以變形，但它們在推水時也可以變硬。”

裝甲和飛機

巴特拉特對水族館的研究并不陌生，他之前曾研究過魚鱗如何幫助工程師為人類設計更好的防彈衣，以及貝殼如何制造更堅固的眼鏡。在工程方面，既堅硬又靈活的材料是一種熱門商品。例如，飛機設計師長期以來一直對開發可以根據指令變形的機翼很感興趣，讓飛機保持在空中的同時擁有更多的機動能力。

“在某種程度上，飛機現在會在放下襟翼時這樣做，”巴特拉特說：“但這是一種僵化的方式，相比之下，由變形材料制成的機翼可以更徹底、更連續地改變其形狀，就像一只鳥。”鰭中的每條射線都有分層結構，尖刺部分包括兩層堅硬的“材料”，稱為hemitrichs，圍繞著海綿狀膠原蛋白的內層。但是層狀的 hemitrichs并不是固體，它們被分成幾部分，目前還沒有被人類完全認知。

游泳、飛行和步行

工程師和他的團隊決定使用計算機模擬來檢查鰭的“機械”性能。如果魚鰭完全由膠原蛋白組成，它們可以很容易地彎曲，但不會在水中給魚帶來太大的牽引力。

巴特拉特說：“當你試圖壓縮或拉動這些骨層時，它們會產生非常高的剛性，這對于抵抗并產生推動水的反作用力非常有用。但是如果你試圖彎曲單個骨層，它們就會非常柔順，這部分屬于基礎肌肉的變形至關重要。”

研究人員通過使用3D打印機生產由塑料制成的魚鰭模型，進一步測試了該理論，其中一些帶有內置鉸鏈，一些沒有，團隊發現分段設計提供了更好的剛度和變形能力的組合。巴特拉特補充說，他和他的同事們只是觸及了魚類世界中部分鰭的表面。例如，飛魚會展開鰭在水面上滑行，而彈涂魚則像腿一樣使用鰭在陸地上行走，他說：“我們需要在材料力學方面的背景下，進一步了解自然界生物的特性。”