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2021-10-19
魚兒魚兒水中游,機械工程揭密魚鰭結構 如何兼顧彈性與剛性
478 期
Author 作者
編譯|陳亭瑋
機械科學
魚鰭
水生生物
仿生材料
材料科學
3D列印
塑膠魚鰭
(Photo by Klara Kulikova on Unsplash)
凝視水族缸中優游的魚兒,對許多人來說是相當紓壓的場景,魚兒輕鬆揮動尾鰭、胸鰭,就能隨心所欲地旋轉、上浮、下潛,似乎是非常理所當然的畫面。然而,從機械科學的角度來看,魚鰭其實十分特別,若想達到魚鰭的功能,需要具備能夠自由調整變形的彈性,以及推動抵抗水流的剛性。而魚鰭同時具備了剛性與彈性,其中的平衡效率,遠非現今人類的機械設計所能企及。
近期美國科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)機械工程學系的研究,揭露了魚鰭的機械工程祕密,未來若要發展可變形又足夠堅韌的手術工具或機翼設計,便有機會用得上這項讓魚鰭同時又靈活又堅固的結構。研究被發表於今(2021)年8月11日《科學機器人學》(
Science Robotics
)。
在此研究中,研究人員採用了多種方法,包括顯微鏡、電腦模擬、3D列印測試,以了解魚鰭細部結構的組成,以及這些結構如何影響魚鰭的功能。他們認為魚鰭兼具彈性與剛性的關鍵,可能在於支撐魚鰭的鰭條並非一體成形,而是一段一段組成的。由剖面來看,鰭條是由堅硬的骨化材料與富彈性的膠原蛋白共同組成,使得魚鰭能在彈性與剛性之間取得完美的平衡。
主持研究的巴德拉特(Francois Barthelat),亦是本研究的通訊作者,對於水族相關的研究並不陌生。巴德拉特過去就曾發表過許多源自於水生生物的仿生材料發想,像是由魚鱗結構探究如何設計改良人類裝甲,以及由軟體外殼的真珠層探討如何製作更堅固的玻璃。而本次的發表顯示,人們習以為常的魚鰭,可能也一樣非常有用。
能夠兼顧堅硬與彈性的材料,一向是機械工程領域注目的焦點。舉例來說,飛機設計一直嘗試開發能隨指令變形的機翼,讓飛機在空中可以隨時保有更大的機動性。而現階段的飛機,其實可以做到某種層面上的「變形」,也就是放下與舉起機翼附件的襟翼(flap);但相較於鳥兒的翅膀可以進行連續性變化,襟翼的改變卻只能一次性地做出大範圍調整,對於不同情境的應對彈性較差。如果未來有種可變形、又能維持強度的材料出現,或許將有機會做出可以更變形得更徹底,且能連續性改變的機翼,提升飛機的飛行效率。
過去我們已經知道,魚鰭的靈活度非常高,多數的魚鰭由20∼30根鰭條,中間覆蓋皮膚組成,且每根鰭條都可以獨自調整位置移動變形。此外,由於魚鰭上頭並沒有肌肉,因此所有的操控都是靠魚鰭基部的肌肉進行。了解魚鰭的結構,可能對於發展類似的設計有幫助。
為了找出常見的魚鰭如何達成材料科學上的難題,團隊首先以顯微鏡觀察其細部結構。魚鰭上的每個(Photo by Klara Kulikova on Unsplash)鰭條皆為層狀結構,看起來像中間擠滿餡料的長形閃電泡芙:上下各有一層堅硬的材料hemitrichs,中間夾著較為鬆軟富彈性的海綿狀膠原蛋白。而hemitrichs在此並不是一塊鐵板,而是一節一節的組成鰭條。
爾後工程師團隊利用電腦模擬,了解魚鰭結構的機械原理。模擬顯示,硬質部分的分節對魚鰭的功能至關重要。若是魚鰭的鰭條皆由膠原蛋白組成,將造成魚鰭太過柔軟、容易彎曲,無法在魚兒游泳撥水時提供足夠的推力;相反的,如果鰭條都是由未分節的堅硬材料hemitrichs組成,又會太過堅硬,無法提供魚兒在游動時需要的彈性。
最終模擬結果顯示,鰭條上堅硬材料的小分節,就是彈性與剛性的關鍵。如果一次性對整面魚鰭上的鰭條施壓,那它們就會出現相當大的剛性,讓魚鰭得以提供張力、在水中產生前進的動力;但如果試圖彎折單一的鰭條,則該鰭條會相當柔順,如此一來就讓魚鰭基部的肌肉得以控制鰭條變化。而這兩者的結合,讓魚兒得以在水中優游。
研究人員進一步以3D列印模擬魚鰭結構測試此理論,結果支持此一論點:有分節設計的塑膠魚鰭,的確較能夠兼具堅固與彈性的功能。
巴德拉特認為,我們目前對於魚鰭功能潛力的了解,尚只有九牛一毛。舉例來說,飛魚能以胸鰭在空氣中長距離滑行,而彈塗魚則可以在陸地上使用魚鰭行走,皆有許多值得探究之處。他也在新聞稿中表明,希望能夠從機械工程學的角度,補上生物學家與動物學家未能接觸到的研究方向,以材料機制的背景,更進一步了解自然世界的神奇之處。
延伸閱讀
1. Daniel Strain, Engineers uncover the secrets of fish fins,
CU Boulder Today
, 2021/8/11.
2. Florent Hannard,
et al
., Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials,
Science Robotics
, 2021.
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