在億萬年的進化中，動物在與自然進行生存鬥爭的過程中，形成了某些特殊的超凡能力。研究和借鑒動物身上的智慧，人類可以師法自然，從中汲取靈感，獲得更大的技術突破。

　　魚類是怎麼游泳的？蚊子是怎麼在水上漂浮的？鳥類為何能自覺保持隊形？這些看似簡單的問題，其實蘊含著不可估量的科學價值。探索動物界的奧秘，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窮無盡的靈感，從而推動科學研究取得更大的突破。

　　揭開魚類游泳奧秘，機器魚研究有望突破

　　早在20世紀90年代，麻省理工學院研製的第一條機器魚——“倣生金槍魚”就進行了水下實驗。儘管這項工作十分超前，但有關魚類如何游泳的原理至今仍然模糊不清。這成為擋在水生機器人專家面前的一個難題。

　　不過，這一橫亙多年的難題已經撥雲見日。來自《環球科學》的文章稱，通過分析魚類游泳時周圍水體的“拉格朗日擬序結構”，科學家日前揭示了魚類在水中游進的物理機制，該研究方法有助於對飛機飛行動力學和其他複雜流體流動的研究。該研究組的成果于6月23日發表在由美國物理聯合會出版的期刊《混沌》中。

　　最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究組發現，通過將水體拆解成一系列獨立的渦流可以研究魚類在水中的遊進運動。在一系列的模擬實驗中，研究者們將注意力集中在離魚身最近的水渦旋上。“我們認為這些渦旋對於魚類在水中游進起到了關鍵作用。這些水流在旋轉，這一事實本身就清楚地説明瞭魚體和水體之間有著很強的相互作用”，該項目的帶頭研究者弗洛裏安·休恩（Florian Huhn）這樣説。

　　研究組對魚類的兩種遊進方式做了模擬研究。第一種是平穩運動，也即常規的波浪式遊進。另一種是逃脫反應，即魚身先迅速彎成“C”的形狀，然後向外翻轉快速遊進。

　　研究者們發現，對於做平穩運動的魚類，它們的遊進很大程度上來自於魚體和分離水渦旋之間動量的交換。而對於逃脫反應，水渦旋同樣可以在很大程度上解釋運動機制，但“還有一類被渦旋區包圍的非旋轉水流區也在魚類的遊進機制中起到了很重要的作用”，休恩説。

　　休恩認為他們的方法也將有助於流體分析。“當一個物體在流體中前行時，無論是空中的鳥還是水中的魚亦或飛機、輪船，渦旋就會被産生，我們的方法可以被用來定位和了解這些渦旋的形成和演化”，他説。

　　研究團隊對“拉格朗日擬序結構”的定量測定，將有助於機器人設計專家開展接下來的工作。如果知道這些渦旋的旋轉機制，以及渦旋中的水含量，機器人專家或許就能夠設計出能向前推進的機器魚。

　　學習蚊子“水上漂”，設計未來水上機器人

　　小型半水生節肢動物，如蚊子和水黽，因其獨特的腿部結構，有著很好的水面活動能力，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。

　　通過研究蚊腿的不同部位在做運動時對水面産生的作用力，中國石油大學（華東）和遼寧科技大學的研究者揭開了蚊子能夠在水面上運動的機械原理，這一發現可被用於設計倣生結構，如水上機器人和小型船。

　　“這項研究加深了我們對於水生昆蟲水面運動機理的理解”，中國石油大學工程力學系教授劉建林説。近日，他們將這項研究發表在美國物理聯合會出版的《AIP Advances》期刊上。

　　蚊子的大腿由三節組成：堅硬的股骨從昆蟲的腹部伸出，通過關節連接後面同樣堅硬的脛節，脛節又分支出一條長而柔韌的踝骨。以前人們對於昆蟲水面活動能力的測量主要集中在整條大腿上，很大程度上忽略了踝骨的作用。

　　在實驗中，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器，這樣便可以測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場調整蚊腿和水面之間的角度和作用力，同時通過光學顯微鏡和數位相機測量相關數據。

　　劉建林和他的同事們發現昆蟲能夠浮動在水面上的能力——也即通過它的六條腿産生的相當於自身體重20倍的向上的支撐力——完全歸功於昆蟲踝骨與水面平行接觸時的浮力。

　　“這一發現推翻了以往認為蚊腿越長，越能有效地産生浮力的經典觀點”，劉建林説。

　　通過減少蚊腿與水面接觸的面積，水面對昆蟲所産生的粘附力也會顯著減小，從而有助於蚊子飛離水面。

　　蚊子的踝骨能夠産生如此大的支援力，其單位長度的結構能力如何，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蚊腿的微結構，濕附著力和動態行為展開研究。

　　研究鳥群隊形資訊，無人機不再獨自飛翔

　　鳥群中的鳥為了總能保持飛在一起，需要彼此交換飛行軌跡資訊。科學家嘗試用隨鳥群高速飛行的波來為這種通信建模，一項新的分析顯示，小的鳥群和大的鳥群中用於傳遞資訊的波或許不一樣，而在中等大小的鳥群中甚至沒有哪一種波能起到作用。

　　此前關於鳥群集體行為的研究表明，鳥類在成群飛行時，喜歡在彼此之間保持固定的距離。當一隻鳥轉向時，它的鄰居也會調整自身的位置，從而造成鳥群中密度的波動，産生一陣向外的密度波，正是這種密度波在整個鳥群中起到了通訊的作用。然而，近期一項分析發現，鳥群中的資訊可能還是通過飛行方向變化的波，或者説“自旋”來傳播更為有效。當一隻鳥改變飛行方向時，它周圍的所有鳥都隨即改變方向，這一資訊就向外傳播開來——就跟磁性材料中的自旋波一樣。

　　來自義大利國家研究委員會的安德烈·卡瓦尼亞（Andrea Cavagna）和同事們近期使用了這一自旋波模型，把鳥當作一個大的水動力系統中的液體成分，自旋波和密度波都存在。研究者發現，在小型鳥群中，只有自旋波能傳播，在大型鳥群中密度波則佔主導地位，而在中等大小的鳥群中，兩種波都無法傳播，就使得這一大小的鳥群無法穩定存在。研究結果對其他動物群體也有啟發作用，如魚群和哺乳動物群。

　　此前，來自匈牙利的研究團隊開發了一款演算法能夠開發讓無人機像鳥群一樣飛翔。他們的感測器和圖像能夠形成網路，並且能夠彼此分享資訊，遇到壞天氣時能夠協同飛行。這樣，無人機之間能夠互相保護，並完成更多工作。對鳥群自覺保持隊形的深入研究，或將推動無人機更具有“合作精神”。

　　■延伸閱讀

　　十款最牛倣生機器人

　　機器狗

　　波士頓動力公司研製的機器狗使用電動/液壓系統，它能夠在室內和戶外操作，這種四腿機器狗可以在崎嶇地形奔跑、攀爬樓梯，當身體被踢後仍能保持身體平衡。

　　袋鼠機器人

　　袋鼠機器人是德國費斯托公司研製的一款模擬動物的機器人，它能夠模擬袋鼠獨特的運動特徵，跳躍中能夠恢復能量，存儲並有效地用於下一次跳躍。

　　烏龜機器人

　　這種外型頗似烏龜的機器人被命名為“沙灘機器人”，是由迪斯尼研究實驗室研製的，它裝配一個可收縮耙狀裝置和感測器，能夠在沙灘中行進。

　　大象機器人

　　大象機器人是使用45噸可回收木材和鋼鐵製造的，它能一次攜載49名乘客，行走45分鐘。

　　機器鳥

　　美國俄勒岡州立大學動力機械實驗室研製的一款機器鳥，能夠兩腿奔跑，是移動速度最快、最敏捷的機器人，它的平衡能力較強，可以抵擋踢打和重擊，甚至躲避碰撞。

　　機器蛇

　　日本研製的ACM-R5H模擬蛇，可用於搜索營救任務，以及水下環境勘測。在機器蛇身體前端安裝著無線相機，能夠拍攝到清晰的圖像。

　　螞蟻機器人

　　德國費斯托公司擅長研製模擬動物的機器人，螞蟻機器人就是其中之一。一群螞蟻機器人能夠協同工作處理任務，類似于真實螞蟻在一起完成一個共同任務。

　　鯊魚機器人

　　美國海軍最新研製一款機器人叫做“幽靈游泳者”，外型頗似鯊魚，可以實現無人操控潛水航行，體長1.5米，重量45公斤，它可用於情報偵察、監測任務，以及檢測船體安全性。

　　獵豹機器人

　　波士頓動力公司研製的一款獵豹機器人，奔跑速度快於任何人類，可達到時速45.5公里，能夠模擬獵豹的奔跑方式。

　　狼蛛機器人

　　Robugtix公司研製的T8機器人，採用3D列印部件組裝而成，能夠模擬狼蛛運動方式，身體上安裝著26個不同電動機，每條腿上安裝3個，腹部安裝2個。