科学家通过鱼的鱼鳍发明了什么

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鳍状结构

盯着任何一个鱼缸，我们会看到大多数鱼都有灵活的鳍，只需轻轻几下，就可以绕圈、潜入深海甚至浮出水面。最近，由科罗拉多大学领导的一项新研究揭示了鳍工程的秘密。这个团队的见解可能有一天会导致机器人手术工具甚至飞机机翼的新设计。

这项研究的高级作者弗朗索瓦·巴特利特(Francois Bartlett)指出，虽然鳍没有肌肉，但它是由许多硬线条组成的，大约有20或30条，这些线条中的每一条都可以像手指一样独立操纵。鳍中一条鳐鱼的特写图像，顶部放松，底部弯曲。

Bartlett和他的同事使用了一系列方法，包括计算机模拟和3D打印材料，来深入研究这些柔性结构的生物力学。报告显示，鳍的关键可能是其独特的设计。in中的每一个鳍都是由硬材料的片段叠加在较软的胶原蛋白上构成的，这使得它们在弹性和刚性之间达到了完美的平衡:“这是一种双重能力。鳍可以变形，但推水时也会变硬。”和装甲飞机。

巴特利特对水族馆研究并不陌生。他之前研究了鱼鳞如何帮助工程师为人类设计更好的防弹衣，以及贝壳如何制造更坚固的玻璃。在工程中，硬而柔韧的材料是抢手货。例如，飞机设计师长期以来一直有兴趣开发可以根据指令变形的机翼，使飞机在保持空的同时具有更大的机动性。

“在某种程度上，现在飞机放下襟翼时会这样做，”巴特利特说。“但这是一种僵化的方式。相比之下，由可变形材料制成的翅膀可以更彻底、更持续地改变形状，就像一只鸟一样。”鳍中的每条射线都具有分层结构，尖刺部分由两层坚硬的“材料”组成，称为半侧毛，包围着海绵胶原蛋白的内层。但层状半侧枝不是固体，它们被分成几个部分，目前人类还没有完全认识到。游泳、飞行和行走

工程师和他的团队决定使用计算机模拟来检查鳍的“机械”性能。如果鱼鳍完全由胶原蛋白组成，可以很容易弯曲，但不会给水中的鱼带来太大的牵引力。

“当你试图压缩或拉伸这些骨层时，它们会产生非常高的刚度，这对抵抗和产生推动水的反作用力非常有用，”巴特利特说。但是如果你尝试弯曲单个骨层，它们会很柔顺，这部分属于基础肌肉的变形。"

研究人员通过使用3D打印机生产塑料制成的鳍模型来进一步测试这一理论，其中一些模型有内置铰链，一些没有。该团队发现，分段设计提供了刚度和变形能力的更好结合。巴特利特补充说，他和他的同事只接触了鱼类世界中一些鳍的表面。比如飞鱼可以张开鳍在水面滑行，弹涂鱼用鳍像腿一样在陆地上行走。他说，“我们需要在材料力学的背景下更多地了解自然生物的特性。”