@ 2016.06.12 , 11:10

像海狮一样游泳的超隐形潜水器?并不是没有可能!

# 感谢 符符 童鞋投递译稿

乔治华盛顿大学的梅根·莱夫特威克,是一名机械工程师。三年前,她带着孩几们在动物园玩的时候发现:诶?海狮在水箱里游泳的姿势有点奇怪。像鲸鱼和海豚的海洋生物,或者说几乎所有鱼类,都是靠尾巴发力来游泳的。海狮呢,就很标新立异。它们可以说是用鳍(也就是那又短又萌的两只手啦)拉着自己的身体前进的。

它们的机动性无人能敌,捕猎(就连逃跑)都像跳舞似的游刃有余。梅根好奇,它们的鳍到底为什么这么厉害呢?为了揭开这个谜底,她现在在用3D打印技术做海狮鳍的复制品(没错就是3D打印),并希望有一天工程师们能够利用海狮的小秘密创造出易操作又隐形的水下航行器。成功的话当然好处多多,比如说在探索水下矿藏的时候,就能更好地避开危险啦。

要做出一个机器鳍,梅根得先搞明白海狮们的动作。她已经知道基本原理:海狮把它大而有力的鳍从鼻子划到肚皮,“这就产生了一个冲力,”梅根解释。“这股冲力推着海狮往反方向走。嗯…就跟人类的蛙泳差不多。”而且由于海狮整个身体都是流线型的,它们不需要总划水,划一会儿歇一会儿,利用惯性往前滑就可以了。

但是呢,当你近距离观察海狮鳍的后边缘时,就会发现事情远没有那么简单。它们鳍的后沿不是直的,而是波浪形的。座头鲸一类的海洋哺乳动物的鳍上也有同样的结构,但是梅根表示自己基本没见过像海狮波浪那么整齐、明显的鳍。估计就是这些波浪状的边缘让水流均匀地通过整片鳍,并且让推力达到最佳效果吧。

为了搞明白其中的机制,梅根带着团队仔细观察了海狮鳍上21个不同的区域,从中发现了将近21种不同的表面纹理。“鳍的前沿有一些厚而带着鳞片的皮肤斑块,这些地方毛发比较稀疏,”她说“然而鳍的后沿一点毛发都没有,所有的槽都是朝着末端长的…就像是朝一个方向长的细致皱纹。”

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电子显微镜下海狮鳍上的不同纹理的扫描图像。注意到后沿带槽的纹理和前沿不平整的纹路了么

所以原理到底是什么呢?梅根认为,一方面,带鳞片的前沿会产生湍流,水流就能“吸附”在海狮的身体表面,也就是方向与身体表面平行。这样海狮有足够的“抓水力”,机动性就更强。而另一方面,后沿的槽可以让水流向一致的方向,而不是毫无章法地流过整个鳍。

但以上都还只是理论而已……要彻底搞明白海狮的鳍到底怎么工作的,她得自己做一个鳍。

鳍呀,鳍呀,你比闪电还快

海狮的最初的发展时间线是很残酷的——它们的鳍上很多不完美的东西都被进化掉了,最后才变成了现在样子。“我们有超详细的激光扫描,知道海狮鳍到底长什么样子。我们可以3D打印出长得一摸一样的机械鳍,”梅根说。最终产物是用硅做的,里面塞满了电线之类的机械内胆。另外,梅根带领团队对游泳的海狮进行了动作追踪,这样他们就能确定机械鳍该怎么游了。

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原型在手,就可以开始测试和优化啦!毕竟这才是重点嘛。把机械鳍放到装满流动水的水槽里,研究人员就能够测量结构拍击时的推力和阻力。然后他们再进行轻微调整——比如不考虑鳍后沿波浪状的特征,再观察机械鳍表现的变化。“我们能测出不同形状所产生的推力、阻力系数的不同,就能大概知道形状是怎么影响后者的了,”梅根表示,他们到年末就能掌握一些可靠数据了。

这个脑洞是为了有一天能够创造出模仿海狮游泳的水下航行器来。“这个应用当然支持你研究的这个大小的任何动物,所以你想的也许是中等大小的水下航行器,”梅根说。“所以我们现在说的不是那种小型的遥控帆船,但我们说的也不是1:1大小的潜水艇。”

一些复杂的自动水下交通工具——大多长得像装着翅膀和尾巴的鱼雷——已经在海洋里遨游了。但是这些自主式水下航行器(AUV)是用螺旋桨作推动力的,而且机动性和被下了镇静剂的海牛一样差。

“但如果你想让它更灵敏一点呢?如果需要派一个水下工具去拆除二战时期埋在海底的炸弹呢?”梅根反问。“用胳膊去推就能灵敏不少。就像如果你突然发现情况不好,调头的速度就会快很多。”

螺旋桨还会产生涡流结构,让自身容易被敌人发现和追踪。海豚和鲨鱼也会产生这种典型的涡流,但是海狮却不会。

“海狮的尾迹似乎只是一股有力的水流,水流周围环绕着没那么连续的漩涡,”梅根解释说。借着开发海狮游泳原理的策略,工程师们没准就能创造出没有涡流的自主式水下航行器了,也就是“水动力静音”。

至于说能在鼻子上顶皮球的自主式水下航行器……那可要再努力努力。不过梦想再大也不过分嘛。

本文译自 wired,由译者 投稿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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