Science揭示了水母海洋生物是如何塑造现代机器人的

　　

 

俄勒冈大学(University of Oregon)的科学家们发现，成群的凝胶状海洋动物利用协调的喷气推进，以巨大的螺旋形在海洋中游动，这种不寻常的运动方式可能会激发出高效水下航行器的新设计。

这项研究涉及了salp，一种看起来像水母的小生物，它们每晚从海洋深处游到海面。用特殊的相机观察这种迁徙，帮助UO的研究人员和他们的同事捕捉到了大型浮游生物优雅、协调的游泳行为。

“地球上最大规模的迁徙每天晚上都在发生:浮游生物从深海到海面的垂直迁徙，”领导这项研究的俄勒冈大学俄勒冈海洋生物研究所生物学副教授凯利·萨瑟兰说。“他们每天都在用新颖的流体力学跑马拉松。这些生物可以为如何制造有效穿越深海的机器人提供灵感。”

研究人员的研究结果发表在5月15日的《科学进展》杂志上。这项研究包括路易斯安那大学海洋联盟、南佛罗里达大学、罗杰威廉姆斯大学、海洋生物实验室和普罗维登斯学院的合作。

加州大学生物学副教授亚历杭德罗·达米安-塞拉诺说，尽管看起来像水母，但海鞘是桶状的水生大型浮游生物，与鱼类和人类等脊椎动物更接近。他说，它们生活在远离海岸的地方，既可以单独生活，也可以成群活动。蜂群由数百只个体组成，它们以长达几米的链条相连。

“海鞘真的是很奇怪的动物，”达米安-塞拉诺说。“虽然它们与我们共同的祖先可能看起来像一条没有骨头的小鱼，但它们的血统失去了很多这些特征，并放大了其他特征。”这些孤独的个体就像这艘母舰一样，无性繁殖出一连串的个体克隆，结合在一起产生一个殖民地。”

但这些海洋生物最独特的地方是在研究人员的海洋探险中发现的:它们的游泳技术。

萨瑟兰和她的团队在夏威夷凯卢亚科纳海岸附近进行了探索，开发了专门的3D摄像系统，将他们的实验室带到水下。正如达米安-塞拉诺所描述的那样，他们白天进行水肺潜水，“沉浸在无限的蓝色中”，进行高能见度的调查。

他们还进行了夜间潜水，当时黑色的背景允许对透明生物进行高对比度的成像。萨瑟兰注意到，他们遇到了大量不同的海带，这些海带正在夜间迁徙到海面上，还有许多鲨鱼、鱿鱼和甲壳类动物。

通过成像和记录，研究人员注意到两种游泳模式。较短的菌落绕着轴旋转，就像一个螺旋形的足球，较长的链条就会像开瓶器一样弯曲和卷曲。这叫做螺旋游泳。

萨瑟兰说，螺旋游泳在生物学上并不新鲜。许多微生物也在水中旋转和螺旋状运动，但海鞘运动背后的机制是不同的。萨瑟兰说，微生物用毛发状的突起或尾巴鞭拍打水，而海鞘则通过喷射推进游泳。达米安-塞拉诺说，它们有收缩的肌肉带，就像人类喉咙里的肌肉带一样，把水从身体的一边吸出来，从另一端喷出，产生推力。

研究人员还注意到，单个喷气机在不同的时间收缩，导致整个蜂群不间断地稳定飞行。萨瑟兰说，射流也是有角度的，这有助于旋转和线圈游泳。

“我最初的反应真的是既惊奇又敬畏，”她说。“我认为它们的动作像蛇一样优雅。它们有多个单元在不同的时间脉冲，形成一个非常平稳的整体链。这是一种非常美丽的移动方式。”

萨瑟兰说，受微生物游泳者启发的微型机器人已经存在，但这一发现为工程师们建造更大的水下航行器铺平了道路。达米安-塞拉诺说，模仿这些高效的游泳者，有可能创造出安静、湍流较小的机器人。他说，多喷气机的设计在节约燃料方面也可能具有能量优势。

萨瑟兰说，除了微生物之外，像浮游生物这样的大型生物还没有被用这种方式描述过。有了萨瑟兰研究海洋生物的创新方法，科学家们可能会意识到螺旋游泳比以前想象的要普遍得多。

萨瑟兰说:“这项研究提出了更多的问题，而不是提供答案。”“有一种新的游泳方式以前没有被描述过，当我们开始研究时，我们试图解释它是如何工作的。但我们发现还有很多悬而未决的问题，比如这样游泳有什么好处?有多少不同的生物会旋转或开瓶?”