皇带鱼鳍启发更安静的水下机器人
当机器人专家Rob Shepherd开始研发一款大型水下机器人，旨在静音游动以免惊扰海洋生物时，他在一个意想不到的地方寻找设计灵感：皇带鱼。这种数米长的鱼人类极少遇到，它通过带状背鳍波浪般起伏在水中移动。Shepherd怀疑，这种波浪驱动的推进系统或许能转化为工程原理，用于制造滑行而非摆动的机器。
为了更好地了解这种鱼，Shepherd联系了Willy Bemis，一位退休的康奈尔大学鱼类学家。Bemis是农业与生命科学学院生态与进化生物学荣休教授，他回忆说Shepherd打电话给他，表示对皇带鱼感兴趣——Bemis告诉他，这种兴趣是相互的。那次简短交流开启了一项合作，研究皇带鱼不同寻常的背鳍鳍条。
为波浪推进而生的解剖结构
皇带鱼是引人注目的动物，身体呈带状，全球分布。目前仅确认两个物种，它们栖息于世界各地的海洋，深度可达约1000英尺（305米）。它们体型巨大：最大的个体估计可达约8米，即近26英尺，这使巨型皇带鱼成为现存最长的硬骨鱼。即便如此，这些巨兽以微小甲壳类动物为食，而非大型猎物。
它们的背鳍与众不同。背鳍包含数百个称为鳍条的骨样骨骼结构，从鱼背伸出。这些鳍条不仅仅使鳍变硬；它们按协调顺序运动，在连接它们的膜上产生波浪。行波推动鱼前进。结果是一种平滑、连续的推进方式，与其他许多鱼类使用的摆动尾巴或拍打附肢截然不同。
- 两个已确认的皇带鱼物种分布于世界各大洋。
- 它们可生活在深达约305米（1000英尺）的水域。
- 巨型皇带鱼体长可达约8米，是现存最长的硬骨鱼。
- 它们的食物由小型甲壳类动物组成。
- 数百根背鳍鳍条协同工作，产生推进波。
首次揭示类似操纵杆的鳍条
9月30日发表在《鱼类学与爬虫学》期刊上的一项新研究，首次描述了皇带鱼每根鳍条独立旋转一整圈的解剖结构及一系列肌肉。这种运动被比作操纵杆，使鱼能够精确、多方向地控制单根鳍条——这一能力有助于解释鳍如何能产生如此复杂的波浪。
Bemis是论文的资深作者。Shepherd是康奈尔大学Duffield工程学院John F. Carr机械工程教授，为共同作者。Gabriel Afonso曾是Bemis实验室的访问研究员，现为弗吉尼亚海洋科学研究所博士生，是第一作者。
单根鳍条层面的独立控制
每根鳍条能够旋转一整圈，意味着鳍不是被动的一片。相反，它是一个由数百个运动元件组成的主动控制阵列。通过调整单根鳍条的方向，鱼可以塑造沿鳍膜传播的波浪，调节产生的推力。对工程师而言，这种分布式、精细的控制很有吸引力：它暗示了一种无需大型、嘈杂运动部件即可调节的推进系统。
为何皇带鱼如此难以研究
皇带鱼的许多方面仍然神秘，研究难度大是主要原因。鱼死后，身体往往断裂成段，因此完整标本罕见。这使得解剖工作充满挑战，也解释了为何关于其鳍条的基本问题长期未得到解答。因此，新论文对鳍条肌肉的详细描述填补了一个显著空白。
这些动物的深海栖息地增加了另一个障碍。它们生活在海面下数百英尺处，极少被活体观察到，其体型和脆弱性使收集或检查工作复杂化。机器人专家与鱼类学家的合作提供了一条前进之路：关于推进的工程问题凸显了尚未被充分描述的解剖特征，而鱼的生物学为机器人提供了自然模型。
从深海鱼到工程设计
皇带鱼对机器人技术的吸引力在于其安静性。一款大型水下机器人若沿柔性鳍以行波运动，可以以更少突然的高能动作运行，减少产生的干扰。这对于以观察海洋生物而不改变其行为为目标的任务至关重要。与由螺旋桨或摆动翼驱动的载具相比，以连续波浪状运动滑过水中的载具可能更接近融入环境。
皇带鱼还表明，这样的系统可以在大规模下工作。鱼的身体可达数米长，其鳍仍通过数百根鳍条的协调动作产生有效推进。这表明基本原理可以放大，这对于被描述为大型的机器人而言是相关的。
这项研究对海洋机器人技术可能意味着什么
该研究并未呈现一个完成的机器人；它建立了可为机器人提供信息的解剖学基础。通过记录每根鳍条如何被肌肉驱动和控制，研究人员为工程师提供了可借鉴的模板。未来的载具可能用独立驱动的元件模仿鳍条，通过旋转产生行波。这样的设计可以提供隐蔽性和机动性，使机器人能够通过重新配置波浪而非改变螺旋桨速度来悬停、转向或加速。
仍有实际问题需要解决。在海洋载具中构建数百个独立旋转元件需要坚固、紧凑的致动器以及能够协调它们的控制系统。海洋环境具有腐蚀性和不可预测性，柔性鳍膜必须承受反复弯曲。然而，生物系统表明这些挑战在原则上是可以解决的：皇带鱼已经这样做了数百万年。
静音推进的模式生物
这项研究还强调了跨学科工作的价值。Shepherd将一个工程问题——如何大规模静音游动——带给Bemis，后者带来了数十年的鱼类学专业知识。他们的共同努力，以Afonso为第一作者，产生了此前缺失的鳍条解剖描述。这提醒我们，一些最有用的设计理念可能隐藏在罕见且难以收集的生物体中。
目前，皇带鱼的鳍既是生物学谜题，也是工程灵感。随着机器人专家寻找以最小干扰探索海洋的方法，这种鱼的带状鳍及其数百根类似操纵杆的鳍条提供了一个引人注目的模型——最终可能帮助大型水下机器人像它们被建造来观察的动物一样静音游动。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org