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  • 【Gene爱聊科学】鲔鱼鳍内的精巧淋巴液压系统,对水下机器人

    2020-06-12
    【Gene爱聊科学】鲔鱼鳍内的精巧淋巴液压系统,对水下机器人

    鲔鱼刺身是很受欢迎的日本料理,价格不斐,但这也造成牠们的浩劫。世界各地渔民们的过度捕捞,已对牠们的种群数量造成严重威胁,个体单位重量也不断下跌,其中最明显的莫过于北方蓝鳍鲔,超过九成的个体已经消失。

    鲔鱼竟然可以保持体温恆定

    和大部分鱼肉不同,鲔鱼的肉色是为红色,因为鲔鱼的肌肉中含有了大量的肌红蛋白。鱼类一般上是变温动物,可是死背硬记的知识有时候无助我们正确地理解大自然。北方蓝鳍鲔可以利用泳肌的代谢,使体内血液的温度高于外界的水温。为了保持肌肉温暖,使牠们能够有效地活动,鲔鱼会使用热逆流交换系统,将动脉中的热量转移到静脉的血液中,防止热量流失到水中。

    这项生理功能使鲔鱼能够适应较大的水温範围,从而能够生存在温度较低的深海水域。同时较高的体温能保证游泳速度快,瞬时时速可达 160 公里,平均时速约 60-80 公里,简直就是海中的喷射机。换句话说,鲔鱼只要一直快速游动,就能保持体温恆定,而鲔鱼活着时是没有不游动的。鲔鱼的游程很远,过去曾经在日本近海发现过从美国加州趴趴游过去的鲔鱼。

    听到液压,你会想到的是?

    鲔鱼除了特殊的生理功能,还有什幺其他解剖构造等,让牠们成为游泳高手呢?如同喷射机有精心配置的机翼和尾翼,以确保灵巧的机动性和燃油效率,蓝鳍鲔也需要最大限度地去控制产生推进力和稳定性的构造,而鲔鱼能够产生形状变化的鱼鳍,对于开发水下和空中机动系统的工程师来说,是非常具有参考意义的。

    美国史丹佛大学的 Vadim Pavlov 和 Barbara A. Block 等人在《科学》的最新发表中,揭示了鲔鱼鳍中精巧的液压系统 [1]!这是由淋巴系统演化成的特殊构造,来提供鲔鱼无比的机动性和精确性,并提供稳定性,防止鲔鱼在主动游泳期间滚动和偏转。

    Barbara Block 已在史丹佛大学的霍金斯研究站研究了鲔鱼超过廿年。他们在史丹佛大学的大学部学生专题计画中,在水族馆的展示水缸中拍摄了大量鲔鱼游泳和觅食的影片 [2]。

    利用那些多年拍摄的影片,他们研究了太平洋蓝鳍鲔和黄鳍鲔在水缸中游泳时的解剖、生理、运动和鱼鳍动作。他们在称为中间鳍的大型镰刀状鳍之中,发现了存在有生物液压系统之证据,中间鳍位于鲔鱼身体上方和下方的中心。原本他们只是在鳍的基部发现了腔室中充满液体,进一步研究才发现箇中奥妙。

    生物液压系统

    该液压系统是一种结合了淋巴系统、骨骼肌和鳍骨的複杂肌肉-血管複合体,能够产生液压以精细地调整鱼鳍的形状,在产生高度的机动性的同时,也提供额外的稳定性。该肌肉-血管複合体由典型液压系统的三个要素组成:可用作液压泵以压迫淋巴液的肌肉、用于引导和控制该系统的血管,以及用作致动器的鳍骨把压力能量转换成机械能。

    一般上,硬骨鱼的淋巴系统在发育上与哺乳动物淋巴系统非常相似,也涉及了免疫反应和体液动态平衡。利用流体结合上肌肉排列来施力的方法,已经在各种无脊椎动物中发现,哺乳动物的阴茎也是一种液压系统。虽然淋巴系统对免疫功能至关重要,但淋巴液以前未被发现用作运动中的液压液体。

    鲔鱼在演化上把这个原有的淋巴系统,打造成能在游泳流体动力学中起作用的工具。他们还在其他鲭科的鱼中,包括黄鳍鲔、线狐鲣和西班牙鲭鱼中发现了类似的肌肉-血管複合体,但在太平洋鲭鱼中没有发现。虽然鲭科的鱼类演化系谱仍有争议,但是这个发现支持了黄鳍鲔、线狐鲣和西班牙鲭鱼的演化关係较接近的粒线体 DNA 研究,意味着这些有淋巴液压系统的鱼是承接了祖先演化出的构造。

    仿生学:工程师厉害还是演化厉害?

    美国麻省理工学院的机械工程学家 Michael S. Triantafyllou 表示,这个研究可能可以为工程师提供设计致动器和稳定器的灵感 [3]。他指出,仿生学的研究常发现,动物发展出的系统通常与工程师想出的解决方案完全不同。然而,当动物採用类似于工程师能想出的设计时,表示那样的设计是很重要的,因为殊途同归就意味着,那样的系统很可能已达到最佳化,更应该探究其所以然。

    【Gene爱聊科学】鲔鱼鳍内的精巧淋巴液压系统,对水下机器人

    Vadim Pavlov 等人发现鲔鱼就是採用类似于工程师设计的液压系统。鲔鱼的体型大小和游泳速度,与目前在世界範围内广泛应用于製图和勘测海洋并检查水下结构的水下自动机器人载具相似,它们的长度约 2 公尺、正常巡航速度为 2 公尺/秒,这些水下机器人载具受到与鲔鱼相似的流力,但水下机器人载具的机动性却大输鲔鱼。

    通过用淋巴液压系统改变鱼鳍的掠角,鲔鱼可以在瞬间运动中动态地改变其稳定性质。Michael Triantafyllou 认为,使用类似鲔鱼的液压系统,能够长时间维持力量的传导,是设计水下机器人的好方法,可用于提高水下机器人载具的机动性和稳定性。

    要把该系统应用于水下机器人载具,还需要进一步研究鱼鳍的动态变化如何影响机动性。这样的高机动性和稳定性是很诱人的,显示了我们能从生物学习到意想不到的有用知识。可见让鲔鱼活着表现高超泳姿,比把牠们宰杀吃进肚子,对人类福祉有更大的帮助。

    参考文献:

    1) V. Pavlov et al. Hydraulic control of tuna fins: A role for the lymphatic system in vertebrate locomotion. Science 357, 310 .

    2) T. Kubota. Stanford researchers discover biological hydraulic system in tuna fins. Stanford News. July 20, 2017. 

    3) M. S. Triantafyllou. Tuna fin hydraulics inspire aquatic robotics. Science 357, 251 .



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