工程師揭開魚鰭的秘密

凝視任何一個(gè)魚缸，你會(huì)看到寵物金魚和孔雀魚有靈活的鰭。只需輕彈幾下這些附屬物，水族館游泳者就可以轉(zhuǎn)圈、潛入深處甚至浮出水面。

由科羅拉多大學(xué)博爾德分校領(lǐng)導(dǎo)的新研究揭示了使魚鰭如此堅(jiān)固而靈活的背后工程秘密。該團(tuán)隊(duì)的見解有朝一日可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人手術(shù)工具甚至飛機(jī)機(jī)翼的新設(shè)計(jì)，只需按一下按鈕即可改變其形狀。

研究人員于8 月 11 日在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

該研究的資深作者弗朗索瓦·巴特拉特 (Francois Barthelat) 指出，鰭很了不起，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)靈巧的壯舉，即使它們沒有一塊肌肉。(魚通過抽動(dòng)位于鰭基部的肌肉來移動(dòng)這些結(jié)構(gòu))。

“如果你觀察鰭，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它是由許多堅(jiān)硬的‘射線’構(gòu)成的，”保羅 M.拉迪機(jī)械工程系教授 Barthelat 說。“這些射線中的每一條都可以像您的手指一樣單獨(dú)操縱，但每個(gè)鰭中有 20 或 30 條。”

在他們的最新研究中，Barthelat 和他的同事利用一系列方法，包括計(jì)算機(jī)模擬和 3D 打印材料，深入研究這些靈活結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)。他們報(bào)告說，魚鰭的關(guān)鍵可能在于它們獨(dú)特的設(shè)計(jì)。鰭中的每條射線都由多段硬質(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(dá)到完美平衡。

“你獲得了這種雙重能力，鰭可以變形，但它們在推水時(shí)仍然很僵硬，”他說。

裝甲和飛機(jī)

Barthelat 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(jì)更好的防彈衣，以及貝殼如何激發(fā)更堅(jiān)固的眼鏡。

鰭可能同樣有用。Barthelat 解釋說，在工程方面，既堅(jiān)硬又靈活的材料是一種熱門商品。例如，飛機(jī)設(shè)計(jì)師長期以來一直對開發(fā)可以根據(jù)指令變形的機(jī)翼很感興趣，讓飛機(jī)在保持在空中的同時(shí)擁有更多的機(jī)動(dòng)能力。

“在某種程度上，飛機(jī)現(xiàn)在會(huì)在放下襟翼時(shí)這樣做，”Barthelat 說。“但這是一種僵化的方式。相比之下，由變形材料制成的翅膀可以更徹底、更連續(xù)地改變其形狀，就像一只鳥。”

要了解普通的普通金魚每天如何實(shí)現(xiàn)類似的壯舉，請?jiān)陲@微鏡下仔細(xì)觀察這些結(jié)構(gòu)。鰭中的每條射線都有分層結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像面包店的 éclair：尖刺包括兩層堅(jiān)硬的礦化材料，稱為 hemitrichs，圍繞著海綿狀膠原蛋白的內(nèi)層。

但是，Barthelat 說，那些層狀的 hemitrichs 并不是實(shí)心的。它們被分成幾部分，就好像有人將 éclair 切成了一口大小的碎片。

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