三鱼游必有我师:那些年海洋导师给我们的灵感

今天是教师节，尼莫手记值此之际祝福广大的教师朋友们节日快乐，万事如意。

在人类漫长的进化史中，大自然可以说是人类永久的导师，它给予我们的启迪完善了我们的文明进程。我们模仿鱼鳍制作出了船桨和舵，模仿草叶的锯齿发明了锯子，模仿动物鳞甲在屋顶铺上一层层瓦片……到了近现代，仿生学（Bionics）更是成为一门备受关注的新科学，并已经渗透到我们生活和工作的方方面面。

（图片来源：https://slidesplayer.com/slide/11546146/）

在仿生学中，海洋仿生学是一个重要的分支。从金枪鱼到海龟，从海豚到水母，纷繁复杂的海洋生物为科学家和工程师们提供了源源不断的灵感。许多人肯定还记得在悉尼、雅典和北京奥运会上大出风头的鲨鱼皮泳衣。通过模仿鲨鱼的皮肤，这种泳衣粗糙的表面能大大减少水流的摩擦力，并且在接缝处模仿人类肌腱，为运动员划水提供动力。然而，由于这款泳衣引发的争议太大，最终在2009年被国际泳联禁用。

运动员穿鲨鱼皮游泳

（图片来源：https://www.bomb01.com/）

鲨鱼皮泳衣是海洋仿生学的成功例子，尽管结局并不美妙。不过，模仿鲨鱼皮结构的技术已经在许多领域得到应用，德国科学家将鲨鱼皮结构与飞机涂料结合，开发出了能节省燃油消耗的“鲨鱼皮涂料”。

随着计算机科学、人工智能和3D打印技术的发展，越来越多的新型仿生机器人、仿生材料和仿生系统不断进入我们的视野，让人眼前一亮。

游来游去机器鱼

早在1994年，美国麻省理工学院就研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼“RoboTuna”，这是一条由2843个零件组成的机器金枪鱼。此后，日本、中国、英国等国家的研究机构也相继开发出了模仿鱼类和海豚泳姿的机器鱼。这些小型的无人水下航行器既可以用于复杂海洋环境下的海洋观测、水下作业和水下救生工作，也可以与鱼儿同游，记录真实的海洋动物鲜活姿态。

仿生水下机器人“BIKI”

(图片截取自：http://www.robosea.org/BIKI.html）

赖着不走鮣鱼头

在利用机器鱼进行水下作业时，有时会遇到难以抓取物体的难题。这也难不倒科学家，他们想到了吸附技能逆天的鮣鱼。鮣鱼被称为水下旅行者，因为它们喜欢吸附在其他海洋动物的身上去搭便车。大自然的鬼斧神工给了它一个吸盘式的头。它只用把头吸附在其他生物身上，不花一分钱就能够实现环游世界的梦想。

老司机带带我

(图片来源：YouTube视频 Everything You Need to Know About Those Fish That Attach to Sharks)

北京航空航天大学、哈佛大学和波士顿大学的研究团队开发了一款模仿鱼的仿生机器人。该机器人具有一个精巧复杂的吸盘，高度模拟了真实鱼吸盘内部的硬质小刺和鳍片结构，在光滑表面和粗糙表面产生的吸附力分别能达到自重的340倍和100倍。

（图片来源：https://www.leiphone.com/news/201709/hBSIm6lHtEaGy3qG.html）

强力吸附章鱼手

说到吸盘，许多人可能会联想到章鱼的触手。作为海洋中最聪明的无脊椎动物，章鱼有着超出我们想象的能力。它们的每一条触手上都分布着脑细胞和感觉受体，似乎都有自己的思维和意识。而且，触手上的吸盘可以帮助章鱼抓起各种东西，比如石头和椰子壳，还能紧紧地抓住不同形状和大小的猎物，比如贝类、螃蟹甚至鲨鱼。根据章鱼触手的这些特性，Festo公司和北京航空航天大学（没错，就是参与开发鱼仿生机器人的那个团队）合作，开发出了仿生软体触手Octopus Gripper。这是一款由气动软硅材料构成的抓持器，结合了吸附和缠绕的抓取方式，能安全、稳定、无损地抓持不同形状、大小和摆放姿态的物体。

仿生软体触手 Octopus Gripper

（https://www.festo.com.cn/net/en-cn_cn/SupportPortal/Details/430823/PressArticle.aspx）

百花齐放仿生秀

如今，研究人员已经开发出了仿金枪鱼、仿蝠鲼、仿海豚、仿鳗鲡、仿墨鱼、仿龙虾、仿水母等不同推进模式和结构的水下仿生机器人，有些已经可以实现快速启动、转弯等多种运动模式。不过，这些仿生机器人在推进速度、推进效率、机动性、稳定性、减阻、耐高压等方面还存在不足，还有很大的提升空间。

韩国科学家研制的多关节水下机械人

（图片来源：YouTube视频 Crabster CR6000 Sea trial at 4,743m seafloor of Pacific Ocean）

另外在美国有家公司模仿鲨鱼，鲸鱼，海豚等海底生物的造型设计出了高速刺激的娱乐型潜器。坐在潜器里肾上腺素可以飙升得比速度表快。

像鲨鱼一样在海上翻滚，这是最狂野的大玩具！

SeabreacherX微型鲨鱼潜艇

（图片来源：YouTuBe视频 Seabreacher Info. Video））

超强粘性的贻贝蛋白

贻贝是常见的海洋污损生物，能牢固地附着在船舶和各种水下人工设施上。这是因为贻贝能分泌多种附着蛋白，而这些蛋白中含有大量的3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）。研究显示，DOPA中的儿茶酚部分能强力粘附在各种潮湿的表面，在防水粘结中起着重要作用。受到贻贝的启发，科学家已经合成了多种含儿茶酚的高分子涂层材料。

附着在船底的讨厌贻贝却有了新用途

（http://www.spokesman.com/blogs/outdoors/2012/feb/13/northwest-states-eye-lake-mead-source-invasive-woes/）

也有研究者反其道而行之，通过儿茶酚类的基团将抗污聚合物接枝到材料表面，实现抵抗粘结的功能；在材料表面接枝生物相容性或肿瘤特异性的物质，还可以开发新型的生物医用材料。可以说，贻贝等海洋污损生物在阻碍人类海洋开发的同时，也为我们提供了解决诸多问题的灵感。

来自沙堡蠕虫的生物胶水

除了贻贝，科学家还从一种多毛类蠕虫那里得到了启发，开发出了一种手术伤口封闭剂。这种小虫子被称为沙堡蠕虫（学名：Phragmatopoma californica），能分泌液态蛋白质黏胶，用于修筑围绕身体的管状巢穴。科学家对这种黏胶进行了分析，并制造出了类似的聚合物凝胶——SETALUM手术密封剂。这种凝胶可以涂在伤口或缺陷处，通过特殊的激光源激活，快速形成一个半固体的弹性密封区域。

沙堡蠕虫用于修巢补穴的蛋白质被用于封闭人类伤口

（http://www.bioen.utah.edu/faculty/RJS/LabSite12/sandcastle%20glue.html）

海豚的超级声呐

除了各式各样的仿生水下机器人和仿生粘合剂、仿生材料，海洋生物还在许多其他领域让人类刮目相看。比如在海洋生物声呐研究中，海豚生物声呐的回声定位系统对距离和方向具有很强的分辨能力，性能远远超过人工声呐。科学家正在研究海豚的头部系统，了解海豚超声束波的形成及传播特性，从而帮助开发基于海豚声呐的仿生换能器系统。这些研究的成果在海底声学探测、电声设计和超声医学等方面有重要的应用前景。

海豚的回声定位系统

（图片来自于Bing搜索）

海洋是无数神奇生物的家园，她为我们提供了食物、药物和多种工业原料。海洋生物也是我们人类的导师，给了我们许许多多发明创造的灵感。保护生物多样性的意义也正在于此。当一个物种消失时，不仅意味着生态系统可能会出现难以预测的后果，它那些尚未被发掘的研究价值也随之消失。作为人类，保护好这些海洋中的“导师”是我们不可推卸的责任。

作者简介

林强，笔名任天，中国科学院南海海洋研究所《热带海洋学报》编辑；科普写作者、译者，译著有《加拉帕戈斯群岛》《狗知道答案》，在果壳网、新浪网、《少年科学》、《十万个为什么》等网站和杂志上发表了多篇科普文章。

参考资料：
王国彪，陈殿生，陈科位，等. 仿生机器人研究现状与发展趋势. 机器工程学报，2015年7月，51（3）：27-44.
展咪咪，李倩茹，陆琦，等. 海洋生物表面粘附与仿生功能化. 材料科学与工程学报，2013，31（5）：768-774.
图片来源见图注
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