工程师揭开鱼鳍的秘密

凝视任何一个鱼缸，你会看到宠物金鱼和孔雀鱼有灵活的鳍。只需轻弹几下这些附属物，水族馆游泳者就可以转圈、潜入深处甚至浮出水面。

由科罗拉多大学博尔德分校领导的新研究揭示了使鱼鳍如此坚固而灵活的背后工程秘密。该团队的见解有朝一日可能会导致机器人手术工具甚至飞机机翼的新设计，只需按一下按钮即可改变其形状。

研究人员于8 月 11 日在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究结果。

该研究的资深作者弗朗索瓦·巴特拉特 (Francois Barthelat) 指出，鳍很了不起，因为它们可以实现灵巧的壮举，即使它们没有一块肌肉。(鱼通过抽动位于鳍基部的肌肉来移动这些结构)。

“如果你观察鳍，你会发现它是由许多坚硬的‘射线’构成的，”保罗 M.拉迪机械工程系教授 Barthelat 说。“这些射线中的每一条都可以像您的手指一样单独操纵，但每个鳍中有 20 或 30 条。”

在他们的最新研究中，Barthelat 和他的同事利用一系列方法，包括计算机模拟和 3D 打印材料，深入研究这些灵活结构的生物力学。他们报告说，鱼鳍的关键可能在于它们独特的设计。鳍中的每条射线都由多段硬质材料组成，这些硬质材料堆叠在更柔软的胶原蛋白之上，使它们在弹性和刚性之间达到完美平衡。

“你获得了这种双重能力，鳍可以变形，但它们在推水时仍然很僵硬，”他说。

装甲和飞机

Barthelat 对水族馆的研究并不陌生。他之前曾研究过鱼鳞如何帮助工程师为人类设计更好的防弹衣，以及贝壳如何激发更坚固的眼镜。

鳍可能同样有用。Barthelat 解释说，在工程方面，既坚硬又灵活的材料是一种热门商品。例如，飞机设计师长期以来一直对开发可以根据指令变形的机翼很感兴趣，让飞机在保持在空中的同时拥有更多的机动能力。

“在某种程度上，飞机现在会在放下襟翼时这样做，”Barthelat 说。“但这是一种僵化的方式。相比之下，由变形材料制成的翅膀可以更彻底、更连续地改变其形状，就像一只鸟。”

要了解普通的普通金鱼每天如何实现类似的壮举，请在显微镜下仔细观察这些结构。鳍中的每条射线都有分层结构，有点像面包店的 éclair：尖刺包括两层坚硬的矿化材料，称为 hemitrichs，围绕着海绵状胶原蛋白的内层。

但是，Barthelat 说，那些层状的 hemitrichs 并不是实心的。它们被分成几部分，就好像有人将 éclair 切成了一口大小的碎片。

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