在億萬(wàn)年的進(jìn)化中，動(dòng)物在與自然進(jìn)行生存斗爭(zhēng)的過(guò)程中，形成了某些特殊的超凡能力。研究和借鑒動(dòng)物身上的智慧，人類可以師法自然，從中汲取靈感，獲得更大的技術(shù)突破。

　　魚類是怎么游泳的？蚊子是怎么在水上漂浮的？鳥(niǎo)類為何能自覺(jué)保持隊(duì)形？這些看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，其實(shí)蘊(yùn)含著不可估量的科學(xué)價(jià)值。探索動(dòng)物界的奧秘，不僅僅是滿足人類的求知欲和好奇心，更為人類師法自然提供了無(wú)窮無(wú)盡的靈感，從而推動(dòng)科學(xué)研究取得更大的突破。

　　揭開(kāi)魚類游泳奧秘，機(jī)器魚研究有望突破

　　早在20世紀(jì)90年代，麻省理工學(xué)院研制的第一條機(jī)器魚——“仿生金槍魚”就進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)。盡管這項(xiàng)工作十分超前，但有關(guān)魚類如何游泳的原理至今仍然模糊不清。這成為擋在水生機(jī)器人專家面前的一個(gè)難題。

　　不過(guò)，這一橫亙多年的難題已經(jīng)撥云見(jiàn)日。來(lái)自《環(huán)球科學(xué)》的文章稱，通過(guò)分析魚類游泳時(shí)周圍水體的“拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)”，科學(xué)家日前揭示了魚類在水中游進(jìn)的物理機(jī)制，該研究方法有助于對(duì)飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)和其他復(fù)雜流體流動(dòng)的研究。該研究組的成果于6月23日發(fā)表在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的期刊《混沌》中。

　　最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將水體拆解成一系列獨(dú)立的渦流可以研究魚類在水中的游進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在一系列的模擬實(shí)驗(yàn)中，研究者們將注意力集中在離魚身最近的水渦旋上。“我們認(rèn)為這些渦旋對(duì)于魚類在水中游進(jìn)起到了關(guān)鍵作用。這些水流在旋轉(zhuǎn)，這一事實(shí)本身就清楚地說(shuō)明了魚體和水體之間有著很強(qiáng)的相互作用”，該項(xiàng)目的帶頭研究者弗洛里安·休恩（Florian Huhn）這樣說(shuō)。

　　研究組對(duì)魚類的兩種游進(jìn)方式做了模擬研究。第一種是平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，也即常規(guī)的波浪式游進(jìn)。另一種是逃脫反應(yīng)，即魚身先迅速?gòu)澇伞癈”的形狀，然后向外翻轉(zhuǎn)快速游進(jìn)。

　　研究者們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于做平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的魚類，它們的游進(jìn)很大程度上來(lái)自于魚體和分離水渦旋之間動(dòng)量的交換。而對(duì)于逃脫反應(yīng)，水渦旋同樣可以在很大程度上解釋運(yùn)動(dòng)機(jī)制，但“還有一類被渦旋區(qū)包圍的非旋轉(zhuǎn)水流區(qū)也在魚類的游進(jìn)機(jī)制中起到了很重要的作用”，休恩說(shuō)。

　　休恩認(rèn)為他們的方法也將有助于流體分析?！爱?dāng)一個(gè)物體在流體中前行時(shí)，無(wú)論是空中的鳥(niǎo)還是水中的魚亦或飛機(jī)、輪船，渦旋就會(huì)被產(chǎn)生，我們的方法可以被用來(lái)定位和了解這些渦旋的形成和演化”，他說(shuō)。

　　研究團(tuán)隊(duì)對(duì)“拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)”的定量測(cè)定，將有助于機(jī)器人設(shè)計(jì)專家開(kāi)展接下來(lái)的工作。如果知道這些渦旋的旋轉(zhuǎn)機(jī)制，以及渦旋中的水含量，機(jī)器人專家或許就能夠設(shè)計(jì)出能向前推進(jìn)的機(jī)器魚。

　　學(xué)習(xí)蚊子“水上漂”，設(shè)計(jì)未來(lái)水上機(jī)器人

　　小型半水生節(jié)肢動(dòng)物，如蚊子和水黽，因其獨(dú)特的腿部結(jié)構(gòu)，有著很好的水面活動(dòng)能力，它們的腿可以有效地踩水從而使其能夠在水面上自由漂浮。

　　通過(guò)研究蚊腿的不同部位在做運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)水面產(chǎn)生的作用力，中國(guó)石油大學(xué)（華東）和遼寧科技大學(xué)的研究者揭開(kāi)了蚊子能夠在水面上運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理，這一發(fā)現(xiàn)可被用于設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)，如水上機(jī)器人和小型船。

　　“這項(xiàng)研究加深了我們對(duì)于水生昆蟲(chóng)水面運(yùn)動(dòng)機(jī)理的理解”，中國(guó)石油大學(xué)工程力學(xué)系教授劉建林說(shuō)。近日，他們將這項(xiàng)研究發(fā)表在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《AIP Advances》期刊上。

　　蚊子的大腿由三節(jié)組成：堅(jiān)硬的股骨從昆蟲(chóng)的腹部伸出，通過(guò)關(guān)節(jié)連接后面同樣堅(jiān)硬的脛節(jié)，脛節(jié)又分支出一條長(zhǎng)而柔韌的踝骨。以前人們對(duì)于昆蟲(chóng)水面活動(dòng)能力的測(cè)量主要集中在整條大腿上，很大程度上忽略了踝骨的作用。

　　在實(shí)驗(yàn)中，研究者們將鋼針附著在蚊子的大腿上，鋼針連接著壓頭和微感應(yīng)器，這樣便可以測(cè)量蚊子的踝骨在水面上的浮力。這套裝置可能讓研究者們現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整蚊腿和水面之間的角度和作用力，同時(shí)通過(guò)光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　劉建林和他的同事們發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)能夠浮動(dòng)在水面上的能力——也即通過(guò)它的六條腿產(chǎn)生的相當(dāng)于自身體重20倍的向上的支撐力——完全歸功于昆蟲(chóng)踝骨與水面平行接觸時(shí)的浮力。

　　“這一發(fā)現(xiàn)推翻了以往認(rèn)為蚊腿越長(zhǎng)，越能有效地產(chǎn)生浮力的經(jīng)典觀點(diǎn)”，劉建林說(shuō)。

　　通過(guò)減少蚊腿與水面接觸的面積，水面對(duì)昆蟲(chóng)所產(chǎn)生的粘附力也會(huì)顯著減小，從而有助于蚊子飛離水面。

　　蚊子的踝骨能夠產(chǎn)生如此大的支持力，其單位長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)能力如何，這是研究組正在著手研究的課題。下一步劉教授和他的同事們要對(duì)蚊腿的微結(jié)構(gòu)，濕附著力和動(dòng)態(tài)行為展開(kāi)研究。

　　研究鳥(niǎo)群隊(duì)形信息，無(wú)人機(jī)不再獨(dú)自飛翔

　　鳥(niǎo)群中的鳥(niǎo)為了總能保持飛在一起，需要彼此交換飛行軌跡信息?？茖W(xué)家嘗試用隨鳥(niǎo)群高速飛行的波來(lái)為這種通信建模，一項(xiàng)新的分析顯示，小的鳥(niǎo)群和大的鳥(niǎo)群中用于傳遞信息的波或許不一樣，而在中等大小的鳥(niǎo)群中甚至沒(méi)有哪一種波能起到作用。

　　此前關(guān)于鳥(niǎo)群集體行為的研究表明，鳥(niǎo)類在成群飛行時(shí)，喜歡在彼此之間保持固定的距離。當(dāng)一只鳥(niǎo)轉(zhuǎn)向時(shí)，它的鄰居也會(huì)調(diào)整自身的位置，從而造成鳥(niǎo)群中密度的波動(dòng)，產(chǎn)生一陣向外的密度波，正是這種密度波在整個(gè)鳥(niǎo)群中起到了通訊的作用。然而，近期一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)，鳥(niǎo)群中的信息可能還是通過(guò)飛行方向變化的波，或者說(shuō)“自旋”來(lái)傳播更為有效。當(dāng)一只鳥(niǎo)改變飛行方向時(shí)，它周圍的所有鳥(niǎo)都隨即改變方向，這一信息就向外傳播開(kāi)來(lái)——就跟磁性材料中的自旋波一樣。

　　來(lái)自意大利國(guó)家研究委員會(huì)的安德烈·卡瓦尼亞（Andrea Cavagna）和同事們近期使用了這一自旋波模型，把鳥(niǎo)當(dāng)作一個(gè)大的水動(dòng)力系統(tǒng)中的液體成分，自旋波和密度波都存在。研究者發(fā)現(xiàn)，在小型鳥(niǎo)群中，只有自旋波能傳播，在大型鳥(niǎo)群中密度波則占主導(dǎo)地位，而在中等大小的鳥(niǎo)群中，兩種波都無(wú)法傳播，就使得這一大小的鳥(niǎo)群無(wú)法穩(wěn)定存在。研究結(jié)果對(duì)其他動(dòng)物群體也有啟發(fā)作用，如魚群和哺乳動(dòng)物群。

　　此前，來(lái)自匈牙利的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款算法能夠開(kāi)發(fā)讓無(wú)人機(jī)像鳥(niǎo)群一樣飛翔。他們的傳感器和圖像能夠形成網(wǎng)路，并且能夠彼此分享信息，遇到壞天氣時(shí)能夠協(xié)同飛行。這樣，無(wú)人機(jī)之間能夠互相保護(hù)，并完成更多工作。對(duì)鳥(niǎo)群自覺(jué)保持隊(duì)形的深入研究，或?qū)⑼苿?dòng)無(wú)人機(jī)更具有“合作精神”。

　　■延伸閱讀

　　十款最牛仿生機(jī)器人

　　機(jī)器狗

　　波士頓動(dòng)力公司研制的機(jī)器狗使用電動(dòng)/液壓系統(tǒng)，它能夠在室內(nèi)和戶外操作，這種四腿機(jī)器狗可以在崎嶇地形奔跑、攀爬樓梯，當(dāng)身體被踢后仍能保持身體平衡。

　　袋鼠機(jī)器人

　　袋鼠機(jī)器人是德國(guó)費(fèi)斯托公司研制的一款模擬動(dòng)物的機(jī)器人，它能夠模擬袋鼠獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特征，跳躍中能夠恢復(fù)能量，存儲(chǔ)并有效地用于下一次跳躍。

　　烏龜機(jī)器人

　　這種外型頗似烏龜?shù)臋C(jī)器人被命名為“沙灘機(jī)器人”，是由迪斯尼研究實(shí)驗(yàn)室研制的，它裝配一個(gè)可收縮耙狀裝置和傳感器，能夠在沙灘中行進(jìn)。

　　大象機(jī)器人

　　大象機(jī)器人是使用45噸可回收木材和鋼鐵制造的，它能一次攜載49名乘客，行走45分鐘。

　　機(jī)器鳥(niǎo)

　　美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)動(dòng)力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室研制的一款機(jī)器鳥(niǎo)，能夠兩腿奔跑，是移動(dòng)速度最快、最敏捷的機(jī)器人，它的平衡能力較強(qiáng)，可以抵擋踢打和重?fù)?，甚至躲避碰撞?/p>

　　機(jī)器蛇

　　日本研制的ACM-R5H模擬蛇，可用于搜索營(yíng)救任務(wù)，以及水下環(huán)境勘測(cè)。在機(jī)器蛇身體前端安裝著無(wú)線相機(jī)，能夠拍攝到清晰的圖像。

　　螞蟻機(jī)器人

　　德國(guó)費(fèi)斯托公司擅長(zhǎng)研制模擬動(dòng)物的機(jī)器人，螞蟻機(jī)器人就是其中之一。一群螞蟻機(jī)器人能夠協(xié)同工作處理任務(wù)，類似于真實(shí)螞蟻在一起完成一個(gè)共同任務(wù)。

　　鯊魚機(jī)器人

　　美國(guó)海軍最新研制一款機(jī)器人叫做“幽靈游泳者”，外型頗似鯊魚，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控潛水航行，體長(zhǎng)1.5米，重量45公斤，它可用于情報(bào)偵察、監(jiān)測(cè)任務(wù)，以及檢測(cè)船體安全性。

　　獵豹機(jī)器人

　　波士頓動(dòng)力公司研制的一款獵豹機(jī)器人，奔跑速度快于任何人類，可達(dá)到時(shí)速45.5公里，能夠模擬獵豹的奔跑方式。

　　狼蛛機(jī)器人

　　Robugtix公司研制的T8機(jī)器人，采用3D打印部件組裝而成，能夠模擬狼蛛運(yùn)動(dòng)方式，身體上安裝著26個(gè)不同電動(dòng)機(jī)，每條腿上安裝3個(gè)，腹部安裝2個(gè)。