相比之下，鱼在水中移动的方式则大为不同。相比于僵硬的机器，它们柔软的身体和鱼鳍让它们能够以更高效的方式在水中游动。多年以来，研究人员一直尝试研发一种类似于鱼鳍的灵活机器，但这些机器的效率仍然远不及真实的鱼类。

到底少了什么呢？丹尼尔是一名研究流体力学的工程师。他和实验室的同事猜测鱼是否是因为拥有灵活的鱼尾才能够在水中高速高效地移动。为了探究这一问题，丹尼尔和同事建立了一个模型，并制造了一个机器人来研究僵硬程度对水中移动效率的影响。结果显示，鱼类之所以能够在较大的速度区间保持高效游动，是因为它们能够实时改变鱼尾的僵硬程度或灵活度。

人们为什么还在使用螺旋桨

流体力学适用于液体，也适用于气体。几百年来，人们都在使用旋转的坚硬物体来移动交通工具。达芬奇将这一理念融合到直升机的设计之中，首个螺旋桨驱动的船也在19世纪30年代问世。螺旋桨制作简便，而且在设计的航行速度下也运转良好。

在最近的几十年，软体机器人技术的进步使得高度可控的灵活组件成为现实。而现在，海洋机器人专家已经开始在灵活的鱼类和它们令人震惊的游泳技术上寻找灵感了。

当丹尼尔等工程师谈及游泳机器人的灵活度时，通常指的都是鱼尾的僵硬程度，而鱼尾是指鱼在游动的时候前后摆动的整个后半身。

就拿金枪鱼来举例吧，金枪鱼游动的最高时速可到每小时80千米，而且它在不同的游动速度下能效都很高。

模拟鱼类生物力学最麻烦的地方是生物学家并不能真正了解鱼类在现实生活中究竟有多灵活。如果你想知道橡皮筋的灵活度，拉一拉就行了。但对于鱼类而言，你拉一拉所感受的僵硬程度取决于它调动了多少的肌肉进行对抗。

为了估计鱼类的灵活度，研究人员最好的选择就是将鱼的游动过程录下来，然后测量鱼身形的变化情况。

在数学之中寻找答案为了模拟金枪鱼和其他鱼类的灵活度和游泳模式，研究人员制造了十多种机器人，但没有一种能比得上真实的鱼。

丹尼尔和他在弗吉尼亚大学实验室的同事也面临着相同的问题：机器人的灵活度究竟应该设置成多少呢？如果没有唯一固定的最佳灵活度，机器人在游泳的时候应该如何调整呢？丹尼尔和同事在NASA曾发表的一篇有关振动机翼的文章中寻找答案。这篇报告解释了机翼振动是如何改变机翼产生的升力的。由于鱼鳍和机翼的形状类似，同样的数学原理也可以用于建立鱼尾前后摆动产生多少推力的模型。

丹尼尔和博士后研究员钟强借助这一机翼理论建立了鱼游泳的数学模型，并且在尾巴上加上了弹簧和滑轮用于模拟肌肉的收缩。他们在方程式中发现了一个极其简单的假设。为了将能量利用效率最大化，肌肉的张力应该与鱼游动速度的平方呈正比。因此，如果鱼的游泳速度增至2倍，那么它的僵硬程度就应该增加至4倍。如果鱼或者类鱼机器人想在保持高能量利用效率的情况下把速度提升至3倍，那么它牵引肌腱的力就应该提升至9倍。

为了证实这一理论，丹尼尔等人在类金枪鱼机器人身上安装了人工肌腱，并且让它根据速度调节鱼尾。之后他们将新的机器人放到测验缸中进行诸如200米障碍冲刺等不同的实验。相比于鱼尾硬度固定的机器人，能够改变鱼尾灵活度的机器人在不同速度下的能耗平均下降了一半。

它为何重要

制造一个出色的机器人当然是极好的，但最让丹尼尔和同事们感到兴奋的是他们的模型是灵活可变的。他们可以根据鱼的体型、游泳姿势乃至流体类型对模型进行修改。不仅如此，这一模型还能应用到水中和空中大大小小的动物和机器人身上。

例如，该模型指出海豚从它们能够改变鱼尾僵硬度的能力中获益良多，而金鱼因为它们的体型、体态以及游泳方式就没有办法获得那么多的益处。

这一模型还可以应用于机器人设计。游动或飞行时更高的能效意味着更低的噪音，这能够让目前仅有一个高效航行速度的交通工具以及机器人完成更多的任务。就短期来看，这能够帮助生物学家更便捷地研究河床和珊瑚礁，帮助研究人员以前所未有的规模追踪风向和洋流，也能够让搜救队在更远的地方进行更长时间的工作。

就长期来看，这项研究能够为潜艇和飞机设计带来新灵感。人类只在近几个世纪才开始研究潜行和飞行的机器，但动物已经不断精进它们的技能长达数百万年了。毫无疑问，我们能够从动物身上学到很多。

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