魚為什麼游得那麼快？中國科學家用計算機模擬技術揭曉答案

魚類是如何產生推力的？有兩種解釋性理論，這兩個理論孰是孰非物理學家已經爭論了 50 年。如今，計算機模擬技術給出了答案。

在游泳方面，魚類毫不費力地做到兼具優雅與力量於一身，而這也正是人類夢寐以求的地方。魚類最快的游速能達到每小時 70 英里，而人類甚至難以達到每小時 4 英里，即便是最快的潛艇也只能達到每小時 50 英里。

魚類究竟是如何擁有如此能力仍然是個謎。物理學家、生物學家和工程師長期以來對特徵性波動和它產生的水動力百思不得其解。實際上，專家們提出兩種水動力推進理論來進行解釋，儘管這些理論可以追溯到 20 世紀 50 年代和 60 年代。但一直無人知曉哪一種是正確的。

北京計算科學研究中心（Beijing Computational Science Research Center）的於挺（Tingyu）和同事在超級計算機上模擬了魚類的推進動作，並藉助真實魚類運動的詳細測量數據來校準結果。他們的模型首次解釋了魚類如何產生推力，甚至包括為什麼某些解剖結構（如肌腱）如此重要。

（圖片來源：麻省理工科技評論）

首先我們需要了解一些背景。在特徵性波動游泳運動中，魚類的肌肉沿著身體順序收縮，產生身體彎曲的後向運動波。這會同水體產生摩擦併產生推力。

但這種推力究竟如何產生依舊是個謎團。1952 年，英國物理學家傑弗里?泰勒（Geoffrey Taylor）考慮了魚類身體的各個部分與水之間的相互作用。他認為，魚類身體的各個部分均產生阻力（一種阻擋運動的力）。當其身體擺動時，垂直方向的阻力會大於水平方向的阻力。由此才會產生水平方向或向前的推動力。這種觀點被稱為阻力理論。

但是在 1960 年，英國數學家詹姆斯·萊特希爾（James Lighthill）提出了不同觀點，他認為推力的主導因素是水的慣性。由此扁平的魚類才得以通過小振幅波動來產生推力。這被稱為細長體理論。

這兩種理論的關鍵區別在於產生的力歸於不同類型。泰勒認為，推力產生於阻力，雖然其作用方向與物體運動方向相反，但與速度保持一致。萊特希爾認為，推力產生於反作用力，其作用方向與作用力相反，並與加速度保持一致。

這一差異看似微妙，但對於理解魚類如何遊動以及進行人工複製十分關鍵。

（圖片來源：麻省理工科技評論）

為了弄清真相，於挺與同事創建了兩種魚類的 3D 計算流體動力學模型：一種是鰻狀的魚類，如鰻魚；一種是鰺行式魚類，如鯖魚。兩種魚類的主要的區別在於，鰻狀魚類遊動時擺動整個身體，而鰺行式魚類只有身體的後半部分彎曲較為明顯。

該團隊利用真實魚類運動的研究來校準模型，並計算每種體型產生的力、扭矩和功率。

實驗結果十分有趣。研究證明，這兩種理論都是正確的，但要視體型類型甚至是身體的不同部位而定。

例如，對於鯖魚型魚類和鰻魚型魚類來說，身體中間部分產生的阻力更為重要，因為這一部為相對平滑和均勻。但對鯖魚式魚類而言，尾巴附近產生的反作用力更為重要。

彈性的作用也同樣不容小覷。雖然沒人能夠測量魚類在遊動時其身體的彈性，但人們普遍認為魚類身體的彈性有助於儲存能量以及提高游泳效率。

通過展示彈性如何隨著身體產生的力而變化，於挺與團隊搭建的模型也提供了一些見解。研究人員展示了鰻魚和鯖魚如何在身體的不同部位以及每一個波動周期的不同時間都保持彈性。他們表示：「這一觀察結果與先前的研究結果一致，即適當的彈性可以節省和恢復能量，從而提高效率。」

該發現提出了新的問題：這種能量轉移是如何通過魚的身體產生的？鯖魚型魚類的一項解剖學特徵表現為，它們的肌腱沿著身體向尾部伸展。如果正如泰勒的理論所言，每個椎骨都作為一個獨立單位，那麼這種肌腱就沒有必要了。

但是在於挺與團隊開發的新模型中，這正是重中之重。他們表示：「我們會預先假設這些長肌腱用於傳遞能量。」

這項工作十分有趣，不僅在於它詳細剖析了自然界中最常見的推進形式之一。事實證明，魚類推進問題要比預想複雜得多，並且人類難以複製。

但是，對於希望使用人工設備重現魚類推進力的生物工程師，於挺與團隊的研究工作為其提供了一條道路。有朝一日，這項工作可能會幫助提升潛艇速度。人類還有許多事情需要趕超呢！

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