Credit:Unsplash/CC0 Public Domain仔细观察任何一个鱼缸，你会发现宠物金鱼和孔雀鱼的鳍都很灵活。只要轻弹几下这些附件，水族馆的游泳者就可以转圈，潜到深处，甚至浮到水面。科罗拉多大学博尔德分校领导的一项新研究揭示了鱼鳍如此坚固而又灵活的工程秘密。该团队的见解有朝一日可能会导致机器人手术工具甚至飞机win gs的新设计，只要按下一个按钮，它们就会改变形状。
研究人员于8月11日在《科学机器人》杂志上发表了他们的结果。
这项研究的资深作者弗朗索瓦·巴泰勒特(Francois Barthelat)指出，鳍之所以引人注目，是因为它们可以实现灵巧的壮举，即使它们不包含一块肌肉。(鱼通过抽动鳍底部的肌肉来移动这些结构)。
“如果你观察一个鳍，你会发现它是由许多坚硬的‘射线’组成的，”保罗·m·拉迪机械工程系教授巴泰勒特说。“每一条光线都可以像你的手指一样单独操作，但每个手指中有20或30条。”
在他们的最新研究中，Barthelat和他的同事利用了一系列方法，包括计算机模拟和3D打印材料，来深入研究这些敏捷结构的生物力学。他们报告说，鱼鳍的关键可能在于它们独特的设计。鳍中的每一条光线都是由多段硬材料组成的，这些硬材料堆叠在更软的胶原蛋白上，使它们在弹性和刚性之间达到完美的平衡。
“你获得了这种双重能力，鳍可以变形，但它们在推动水时仍然相当僵硬，”他说。
装甲和飞机
Barthelat对观察水族馆并不陌生。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，以及贝壳如何激发更坚固的眼镜。
鳍可能同样有用。谈到工程，巴特雷特解释说，既坚硬又柔韧的材料是一种热门商品。例如，飞机设计师长期以来一直对开发能够根据指令变形的机翼感兴趣，这使得飞机在保持飞行状态的同时有更强的机动能力。
“在某种程度上，当飞机放下襟翼时，现在就这样做了，”巴特雷特说。“但那是以一种刻板的方式。相比之下，由变形材料制成的机翼可以更彻底、更连续地改变形状，就像鸟一样。”
要了解普通的普通金鱼每天是如何实现类似壮举的，在显微镜下仔细观察这些结构。鳍中的每一条射线都有一个分层结构，有点像面包店的千里光:尖刺包括两层坚硬的矿化材料，称为半千里光，包围着海绵胶原蛋白的内层。
但是，巴特雷特说，这些半特里谢层并不坚固。它们被分成几段，就好像有人把克莱尔切成了一口大小的碎片。
“直到最近，这些部分的功能还不清楚，”他说。
游泳、飞行和散步
这位工程师和他的团队决定使用计算机模拟来检查鳍的机械特性。他们发现这些片段可以改变一切。
Barthelat解释说，暂且假设鱼鳍完全是由胶原蛋白组成的。它们很容易弯曲，但不会给水中的鱼很大的牵引力，因为水动力会使它们崩溃。相反，由实心的、未分割的半球体组成的光线会有相反的问题——它们太僵硬了。
“所有的片段，本质上，沿着光线创造了这些微小的铰链，”巴特雷特说。“当你试图压缩或拉伸这些骨层时，它们具有非常高的硬度。这对光线抵抗并产生推动水的流体动力至关重要。但是，如果你试图弯曲两侧的骨骼层，它们是非常柔顺的，这部分对于光线容易从基础肌肉变形至关重要。”
研究人员通过使用3D打印机生产塑料制成的鱼鳍模型进一步测试了这一理论，有些鱼鳍内置铰链，有些没有。这个想法得到了证实:该团队发现分段设计提供了更好的刚度和变形能力的组合。
Barthelat补充说，他和他的同事们只是触及了鱼类世界中种类繁多的鳍的表面。例如，飞鱼张开鳍在水面上滑行，而弹涂鱼则像腿一样用鳍在陆地上行走。
Barthelat说:“我们喜欢从生物学家和动物学家中断的地方继续前进，利用我们在材料力学方面的背景，进一步了解自然界的惊人特性。
这项新研究的合著者包括比利时卢万天主教大学的弗洛伦·汉纳德、澳大利亚悉尼大学的穆罕默德·米尔卡拉夫和麻省理工学院的阿布丁·阿梅里。
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