魚(yú)為什么游得那么快？中國(guó)科學(xué)家用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)揭曉答案

魚(yú)類(lèi)是如何產(chǎn)生推力的？有兩種解釋性理論，這兩個(gè)理論孰是孰非物理學(xué)家已經(jīng)爭(zhēng)論了 50 年。如今，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)給出了答案。

在游泳方面，魚(yú)類(lèi)毫不費(fèi)力地做到兼具優(yōu)雅與力量于一身，而這也正是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的地方。魚(yú)類(lèi)最快的游速能達(dá)到每小時(shí) 70 英里，而人類(lèi)甚至難以達(dá)到每小時(shí) 4 英里，即便是最快的潛艇也只能達(dá)到每小時(shí) 50 英里。

魚(yú)類(lèi)究竟是如何擁有如此能力仍然是個(gè)謎。物理學(xué)家、生物學(xué)家和工程師長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)特征性波動(dòng)和它產(chǎn)生的水動(dòng)力百思不得其解。實(shí)際上，專(zhuān)家們提出兩種水動(dòng)力推進(jìn)理論來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)M管這些理論可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代。但一直無(wú)人知曉哪一種是正確的。

北京計(jì)算科學(xué)研究中心（Beijing Computational Science Research Center）的明廷玉（Tingyu Ming）和同事在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬了魚(yú)類(lèi)的推進(jìn)動(dòng)作，并借助真實(shí)魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)結(jié)果。他們的模型首次解釋了魚(yú)類(lèi)如何產(chǎn)生推力，甚至包括為什么某些解剖結(jié)構(gòu)（如肌腱）如此重要。

（圖片來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論）

首先我們需要了解一些背景。在特征性波動(dòng)游泳運(yùn)動(dòng)中，魚(yú)類(lèi)的肌肉沿著身體順序收縮，產(chǎn)生身體彎曲的后向運(yùn)動(dòng)波。這會(huì)同水體產(chǎn)生摩擦并產(chǎn)生推力。

但這種推力究竟如何產(chǎn)生依舊是個(gè)謎團(tuán)。1952 年，英國(guó)物理學(xué)家杰弗里?泰勒（Geoffrey Taylor）考慮了魚(yú)類(lèi)身體的各個(gè)部分與水之間的相互作用。他認(rèn)為，魚(yú)類(lèi)身體的各個(gè)部分均產(chǎn)生阻力（一種阻擋運(yùn)動(dòng)的力）。當(dāng)其身體擺動(dòng)時(shí)，垂直方向的阻力會(huì)大于水平方向的阻力。由此才會(huì)產(chǎn)生水平方向或向前的推動(dòng)力。這種觀(guān)點(diǎn)被稱(chēng)為阻力理論。

但是在 1960 年，英國(guó)數(shù)學(xué)家詹姆斯·萊特希爾（James Lighthill）提出了不同觀(guān)點(diǎn)，他認(rèn)為推力的主導(dǎo)因素是水的慣性。由此扁平的魚(yú)類(lèi)才得以通過(guò)小振幅波動(dòng)來(lái)產(chǎn)生推力。這被稱(chēng)為細(xì)長(zhǎng)體理論。

這兩種理論的關(guān)鍵區(qū)別在于產(chǎn)生的力歸于不同類(lèi)型。泰勒認(rèn)為，推力產(chǎn)生于阻力，雖然其作用方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，但與速度保持一致。萊特希爾認(rèn)為，推力產(chǎn)生于反作用力，其作用方向與作用力相反，并與加速度保持一致。

這一差異看似微妙，但對(duì)于理解魚(yú)類(lèi)如何游動(dòng)以及進(jìn)行人工復(fù)制十分關(guān)鍵。

（圖片來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論）

為了弄清真相，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了兩種魚(yú)類(lèi)的 3D 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型：一種是鰻狀的魚(yú)類(lèi)，如鰻魚(yú)；一種是鲹行式魚(yú)類(lèi)，如鯖魚(yú)。兩種魚(yú)類(lèi)的主要的區(qū)別在于，鰻狀魚(yú)類(lèi)游動(dòng)時(shí)擺動(dòng)整個(gè)身體，而鲹行式魚(yú)類(lèi)只有身體的后半部分彎曲較為明顯。

該團(tuán)隊(duì)利用真實(shí)魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)的研究來(lái)校準(zhǔn)模型，并計(jì)算每種體型產(chǎn)生的力、扭矩和功率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分有趣。研究證明，這兩種理論都是正確的，但要視體型類(lèi)型甚至是身體的不同部位而定。

例如，對(duì)于鯖魚(yú)型魚(yú)類(lèi)和鰻魚(yú)型魚(yú)類(lèi)來(lái)說(shuō)，身體中間部分產(chǎn)生的阻力更為重要，因?yàn)檫@一部為相對(duì)平滑和均勻。但對(duì)鯖魚(yú)式魚(yú)類(lèi)而言，尾巴附近產(chǎn)生的反作用力更為重要。

彈性的作用也同樣不容小覷。雖然沒(méi)人能夠測(cè)量魚(yú)類(lèi)在游動(dòng)時(shí)其身體的彈性，但人們普遍認(rèn)為魚(yú)類(lèi)身體的彈性有助于儲(chǔ)存能量以及提高游泳效率。

通過(guò)展示彈性如何隨著身體產(chǎn)生的力而變化，該團(tuán)隊(duì)搭建的模型也提供了一些見(jiàn)解。研究人員展示了鰻魚(yú)和鯖魚(yú)如何在身體的不同部位以及每一個(gè)波動(dòng)周期的不同時(shí)間都保持彈性。他們表示：“這一觀(guān)察結(jié)果與先前的研究結(jié)果一致，即適當(dāng)?shù)膹椥钥梢怨?jié)省和恢復(fù)能量，從而提高效率。”

該發(fā)現(xiàn)提出了新的問(wèn)題：這種能量轉(zhuǎn)移是如何通過(guò)魚(yú)的身體產(chǎn)生的？鯖魚(yú)型魚(yú)類(lèi)的一項(xiàng)解剖學(xué)特征表現(xiàn)為，它們的肌腱沿著身體向尾部伸展。如果正如泰勒的理論所言，每個(gè)椎骨都作為一個(gè)獨(dú)立單位，那么這種肌腱就沒(méi)有必要了。

但是在該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新模型中，這正是重中之重。他們表示：“我們會(huì)預(yù)先假設(shè)這些長(zhǎng)肌腱用于傳遞能量?！?/span>

這項(xiàng)工作十分有趣，不僅在于它詳細(xì)剖析了自然界中最常見(jiàn)的推進(jìn)形式之一。事實(shí)證明，魚(yú)類(lèi)推進(jìn)問(wèn)題要比預(yù)想復(fù)雜得多，并且人類(lèi)難以復(fù)制。

但是，對(duì)于希望使用人工設(shè)備重現(xiàn)魚(yú)類(lèi)推進(jìn)力的生物工程師，該團(tuán)隊(duì)的研究工作為其提供了一條道路。有朝一日，這項(xiàng)工作可能會(huì)幫助提升潛艇速度。人類(lèi)還有許多事情需要趕超呢！