科学家发现鱼游动时省力的秘密

鱼类是靠什么进行游动的？实际上，在鱼的波动游动中，会形成一个身体弯曲的反向行波来推动水，产生推进力。肌肉是鱼类游动时神经控制的执行器和机械动力的来源，理解鱼的肌肉在游动时如何被运用，能够帮助我们更好的理解鱼类游动时的控制和力学行为。

科学家在实验中通过记录身体变形和肌肉激发使用时的电信号，曾观测到鱼的身体向一侧变形的时间和肌肉使用的时间并不同步，有时身子还没变形，肌肉已经在使劲，有时两者的顺序又反过来，被称作“神经机械相位滞后”现象。另外一个有意思的现象是，在鲤鱼等“鱼形”的鱼类中，身体后半部分肌肉有时两侧都不使劲身体也在动，而鳗鱼等长条形的鱼就不会这种省力的技巧。这些现象自上世纪70年代发现以来激起了科学家们的兴趣，不断探索背后的机理。

科学家们以往的数值模拟中，往往使用了简化的理论模型或者基于二维计算流体力学的数值模拟。因此，这些模型能够对“神经机械相位滞后”的现象定性解释，但是却引入了难以估计的误差，也不能解释两边肌肉都不用而变形的现象。为了更准确地阐明不同物种之间肌肉活动潜在的力学原理，我国丁阳科研团队首次使用了三维计算流体动力学模型研究了鳗鲡式波动（鳗鱼）和鲹科式波动（鲤鱼）的力矩模式和功率输出模式，并将模拟结果与实验观察结果相结合，解释不同游泳模式下鱼类肌电图的特征及其变化。

经过计算发现，水动力和身体惯性所需要的力矩呈现出波的形状，这些波在鳗鲡式和鲹科式游动者中都比曲率波传播得快，从而导致身体变形和肌肉运动的步调不一致，与实验结果吻合。研究人员通过进一步分析力矩，功率的模式并进一步考虑肌腱和身体的粘弹性对能量的转移、储存和释放作用。该模型不仅可以解释实验上观察到的肌肉活动模式的特性和变化，还可以阐明肌腱和身体的粘弹性具体如何节省能量。研究结果表明，鳗鲡式游动者的能量输出集中在身体的前半部分，而在身体的后半部则明显为负。而鲹科式游动者后半部分的负功呈现出间歇性。这些结果解释了不同游泳方式下观察到的鱼类肌电图形态的差异，并提示肌腱可以通过连接在一定时期内以相反符号运动的鱼类肌肉来节省能量。这种利用肌腱来省力的解释还得到了不同鱼类解剖学的验证。

这一研究提供了鱼是如何协调身体形状、运动方式、流体力学、肌肉活动以及肌腱等来完成高效游动的力学蓝图，可以指导高效仿生机器人的设计，特别是具有分布式驱动系统和弹性体的机器人的设计。

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