工程師揭開魚鰭的秘密

1、    工程師揭開魚鰭的秘密    丹尼爾鰭的構(gòu)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(zhuǎn)圈、潛入深處甚至浮出水面。近期由科羅拉多大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)致機器人手術(shù)工具甚至飛機機翼的新設(shè)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(tài)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

2、靈活結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)。報告顯示，魚鰭的關(guān)鍵可能在于它們獨特的設(shè)計。鰭中的每條都由多段硬質(zhì)材料組成，這些硬質(zhì)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(shè)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(shè)計師長期以來一直對開發(fā)可以根據(jù)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?！霸谀撤N程度上，飛機現(xiàn)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

3、比之下，由變形材料制成的機翼可以更徹底、更連續(xù)地改變其形狀，就像一只鳥。”鰭中的每條射線都有分層結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(dāng)你試圖壓縮或拉動這些骨層時，它們會產(chǎn)生非常高的剛性，這對于抵抗并產(chǎn)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(chǔ)肌肉的變形至關(guān)重要?！毖芯咳藛T通過使用3d打印機生產(chǎn)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(nèi)置鉸鏈，一些沒有，團隊發(fā)現(xiàn)分段設(shè)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