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（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.