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        科學家發現魚游動時省力的秘密

        時間:2021-01-08 08:34:13 來源:科普時報 評論:0 點擊:0
         
        鰻魚和鯖魚的力矩分布

            魚類是靠什么進行游動的?實際上,在魚的波動游動中,會形成一個身體彎曲的反向行波來推動水,產生推進力。肌肉是魚類游動時神經控制的執行器和機械動力的來源,理解魚的肌肉在游動時如何被運用,能夠幫助我們更好的理解魚類游動時的控制和力學行為。

            科學家在實驗中通過記錄身體變形和肌肉激發使用時的電信號,曾觀測到魚的身體向一側變形的時間和肌肉使用的時間并不同步,有時身子還沒變形,肌肉已經在使勁,有時兩者的順序又反過來,被稱作“神經機械相位滯后”現象。另外一個有意思的現象是,在鯉魚等“魚形”的魚類中,身體后半部分肌肉有時兩側都不使勁身體也在動,而鰻魚等長條形的魚就不會這種省力的技巧。這些現象自上世紀70年代發現以來激起了科學家們的興趣,不斷探索背后的機理。

            科學家們以往的數值模擬中,往往使用了簡化的理論模型或者基于二維計算流體力學的數值模擬。因此,這些模型能夠對“神經機械相位滯后”的現象定性解釋,但是卻引入了難以估計的誤差,也不能解釋兩邊肌肉都不用而變形的現象。為了更準確地闡明不同物種之間肌肉活動潛在的力學原理,我國丁陽科研團隊首次使用了三維計算流體動力學模型研究了鰻鱺式波動(鰻魚)和鲹科式波動(鯉魚)的力矩模式和功率輸出模式,并將模擬結果與實驗觀察結果相結合,解釋不同游泳模式下魚類肌電圖的特征及其變化。

            經過計算發現,水動力和身體慣性所需要的力矩呈現出波的形狀,這些波在鰻鱺式和鲹科式游動者中都比曲率波傳播得快,從而導致身體變形和肌肉運動的步調不一致,與實驗結果吻合。研究人員通過進一步分析力矩,功率的模式并進一步考慮肌腱和身體的粘彈性對能量的轉移、儲存和釋放作用。該模型不僅可以解釋實驗上觀察到的肌肉活動模式的特性和變化,還可以闡明肌腱和身體的粘彈性具體如何節省能量。研究結果表明,鰻鱺式游動者的能量輸出集中在身體的前半部分,而在身體的后半部則明顯為負。而鲹科式游動者后半部分的負功呈現出間歇性。這些結果解釋了不同游泳方式下觀察到的魚類肌電圖形態的差異,并提示肌腱可以通過連接在一定時期內以相反符號運動的魚類肌肉來節省能量。這種利用肌腱來省力的解釋還得到了不同魚類解剖學的驗證。

            這一研究提供了魚是如何協調身體形狀、運動方式、流體力學、肌肉活動以及肌腱等來完成高效游動的力學藍圖,可以指導高效仿生機器人的設計,特別是具有分布式驅動系統和彈性體的機器人的設計。


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