這看似是一個(gè)理所應(yīng)當(dāng)?shù)膯?wèn)題：“因?yàn)轸~(yú)有鰭，就像人有腳一樣，所以魚(yú)會(huì)游泳”。如果嫌這句話(huà)麻煩甚至可以用“因?yàn)樗囚~(yú)，所以它會(huì)游泳”這種方式來(lái)回答。

　　但真相真的是這樣嗎？魚(yú)鰭是魚(yú)游泳的主要?jiǎng)恿?lái)源嗎？如果深究下來(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題其實(shí)并不簡(jiǎn)單。

　　很早之前，人們就認(rèn)識(shí)到，游泳是動(dòng)物最省力的運(yùn)動(dòng)方式。

　　走路、飛行、游泳，如果讓你選擇一種方式從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，你會(huì)怎么選？

　　我想大部分人都會(huì)選擇飛行，確實(shí)，對(duì)于個(gè)體來(lái)說(shuō)，飛行是最快的運(yùn)動(dòng)方式，但如果單從消耗能量大小的角度來(lái)考慮，飛行卻不是最優(yōu)解。

　　科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，同樣要移動(dòng)1km，松鼠爬行需要消耗22.73J的熱量；海鷗飛行需要消耗6.07J的熱量；鮭魚(yú)游泳只需要消耗1.63J的熱量，大約只有松鼠的1/20，海鷗的1/6。

　　就算是找一個(gè)和鮭魚(yú)一模一樣的物體，用同樣的速度把它放到水里拖動(dòng)它移動(dòng)1km，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)會(huì)游動(dòng)的鮭魚(yú)消耗的能量只有前者的1/7-1/8，很顯然，游泳是動(dòng)物最省力的方式。

　　魚(yú)既然游泳那么高效，人類(lèi)肯定會(huì)想去模仿它，去創(chuàng)造一個(gè)和魚(yú)運(yùn)動(dòng)方式一樣的水下推進(jìn)裝置。

　　你也許會(huì)想，我們不是已經(jīng)有潛艇了嗎？但即使是最快的核潛艇，用螺旋槳推進(jìn)的它時(shí)速只有44.7節(jié)，也就是每小時(shí)80.4公里。水里游得最快的旗魚(yú)，速度可以達(dá)到每小時(shí)112公里。不止是速度的問(wèn)題，潛艇推進(jìn)時(shí)噪音大、耗能高，并且高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳還會(huì)產(chǎn)生空蝕效應(yīng)，導(dǎo)致螺旋槳磨損。

　　所以人類(lèi)一直想去模仿魚(yú)的游動(dòng)方式，設(shè)計(jì)出更先進(jìn)的水下載具，這也就是仿生。

　　但想去模仿，就得先搞懂魚(yú)游泳的原理。

　　那第一個(gè)問(wèn)題來(lái)了，選哪種魚(yú)作為研究對(duì)象呢？

　　如果仔細(xì)觀察魚(yú)的運(yùn)動(dòng)方式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分的魚(yú)運(yùn)動(dòng)方式大抵相同：利用尾部和身軀肌肉的收縮進(jìn)行有規(guī)律的左右扭動(dòng)，專(zhuān)業(yè)上這稱(chēng)為身體/尾鰭推進(jìn)模式（Body and/or caudal fin， BCF）。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，不同的魚(yú)，扭動(dòng)的幅度大小和頻率不太一樣，但核心都是在于扭動(dòng)。當(dāng)然，魚(yú)鰭的擺動(dòng)在游動(dòng)時(shí)也起到一定的作用，主要是調(diào)整方向，最主要的動(dòng)力還是來(lái)自于身軀的扭動(dòng)，特別是當(dāng)魚(yú)快速移動(dòng)的時(shí)候。所以，魚(yú)鰭并不是魚(yú)游泳的主要的動(dòng)力來(lái)源，而是軀干的扭動(dòng)。

　　既然魚(yú)的主要運(yùn)動(dòng)方式是靠軀干的扭動(dòng)，那就研究它們扭動(dòng)的細(xì)節(jié)就好了。前面說(shuō)了，不同的魚(yú)擺動(dòng)的幅度不太一樣，有的幅度大，有的幅度小。扭動(dòng)幅度大的稱(chēng)為波動(dòng)式，扭動(dòng)幅度小的稱(chēng)為擺動(dòng)式。不管怎么分類(lèi)，這兩種推進(jìn)模式在基本運(yùn)動(dòng)原理都一樣。

　　而作為科學(xué)研究，肯定優(yōu)先找那些擺動(dòng)幅度大的魚(yú)來(lái)作為研究對(duì)象，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)幅度越大，越容易觀察到擺動(dòng)的細(xì)節(jié)。

　　那什么魚(yú)擺動(dòng)幅度比較大呢？自然是黃鱔、鰻鱺之類(lèi)的長(zhǎng)條魚(yú)，因?yàn)樯硇驮介L(zhǎng)條，利用肌肉收縮為動(dòng)力產(chǎn)生的波浪式運(yùn)動(dòng)越明顯。

　　所以很早的時(shí)候，科學(xué)家就拿鰻魚(yú)之類(lèi)的長(zhǎng)條魚(yú)來(lái)做實(shí)驗(yàn)，主要用高速攝影的方式來(lái)拍攝它們的運(yùn)動(dòng)方式。

　　利用攝影技術(shù)來(lái)研究魚(yú)的運(yùn)動(dòng)方式，有很大的局限性。魚(yú)是自由的，它在水箱里游來(lái)游去都是隨心所欲的，更不會(huì)做出特定的動(dòng)作來(lái)滿(mǎn)足科學(xué)家的研究需求。

　　為了定量分析魚(yú)在游動(dòng)過(guò)程中的振幅、頻率、前進(jìn)速度等參數(shù)，有科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)能讓一條死魚(yú)軀體產(chǎn)生波狀游泳動(dòng)作的機(jī)械裝置。

　　這個(gè)裝置通過(guò)在魚(yú)的身體上插一排長(zhǎng)桿，然后搖動(dòng)裝置上的凸輪來(lái)控制魚(yú)的動(dòng)作。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，動(dòng)桿就會(huì)驅(qū)動(dòng)魚(yú)體產(chǎn)生預(yù)定的波狀運(yùn)動(dòng)。這樣科學(xué)家就可以讓魚(yú)按照自己想要的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可以更方便地研究出具體的參數(shù)。

　　記錄下魚(yú)運(yùn)動(dòng)的方式很多，但不管什么研究方式，最后都還是要總結(jié)成理論模型，才能了解運(yùn)動(dòng)的具體機(jī)制。

　　通過(guò)觀察科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在魚(yú)的游動(dòng)過(guò)程中，魚(yú)體的肌肉會(huì)按從頭至尾的順序進(jìn)行收縮，身體逐個(gè)部位彎曲，產(chǎn)生向后的運(yùn)動(dòng)波，進(jìn)而推動(dòng)水流產(chǎn)生向前的推力。

　　至于這個(gè)推力是如何產(chǎn)生的，主要有兩個(gè)理論來(lái)解釋?zhuān)?/font>阻力理論（RFT）、細(xì)長(zhǎng)體理論（EBT）。

　　阻力理論：這是英國(guó)物理學(xué)家弗里·泰勒（Geoffrey Taylor）在1952年提出的，在阻力理論中，一個(gè)物體會(huì)被分割成無(wú)窮小的部分，每一個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生推力和阻力。當(dāng)魚(yú)產(chǎn)生波浪式運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么垂直于魚(yú)體方向的阻力比平行于魚(yú)體方向的阻力大。其結(jié)果是在平行方向，也就是前進(jìn)的方向上，產(chǎn)生一個(gè)推力。

　　細(xì)長(zhǎng)體理論：這是一位英國(guó)數(shù)學(xué)家詹姆斯·萊特希爾（James Lighthill）在1960年提出的，和前面的阻力理論完全不一樣，他認(rèn)為推動(dòng)魚(yú)前進(jìn)主要依靠的是水的慣性。這使得魚(yú)體作為一個(gè)平面，可以通過(guò)小振幅的波動(dòng)產(chǎn)生推力。

　　這兩個(gè)理論之間的最主要區(qū)別在于所產(chǎn)生的力量的類(lèi)型。泰勒理論認(rèn)為，讓魚(yú)向前游動(dòng)的力產(chǎn)生于阻力，阻力的作用方向和魚(yú)的運(yùn)動(dòng)方向相反，但與物體運(yùn)動(dòng)速度相一致；萊特希爾則認(rèn)為魚(yú)向前的游動(dòng)的力產(chǎn)生于反作用力，其作用方向與作用力相反，并與加速度保持一致。

　　后來(lái)一個(gè)北京計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中心的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)的模擬，對(duì)兩個(gè)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。之后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)理論都是對(duì)的，但不同的魚(yú)情況不太一樣。

　　這主要還是和魚(yú)的形狀有關(guān)，長(zhǎng)條形的魚(yú)，比如鰻魚(yú)，它在波動(dòng)的時(shí)候，軀干部分產(chǎn)生的阻力是最主要的，因?yàn)檫@部分力的作用相對(duì)平滑和均勻。

　　而對(duì)于鯖魚(yú)，這類(lèi)形狀比較普通的魚(yú)，它在擺動(dòng)的時(shí)候，雖然也依靠軀干部分的阻力，但尾鰭左右擺動(dòng)產(chǎn)生的反作用力也同樣很重要。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，身型越長(zhǎng)條的魚(yú)，越依靠軀干部分產(chǎn)生的作用力，身型越短的魚(yú)，越依靠尾鰭產(chǎn)生的作用力。

　　將動(dòng)力移到尾部的魚(yú)有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是魚(yú)體很容易失去側(cè)向平衡，也就是說(shuō)，它一擺尾就可能會(huì)引起頭部的搖擺。

　　對(duì)于這點(diǎn)，鲅魚(yú)通過(guò)演化，把自己身體中部垂直面提高，增重軀干前面的重量（可以說(shuō)是增加配重），來(lái)增大左右擺動(dòng)的阻力，避免了游泳的時(shí)候偏來(lái)偏去。

　　雖然科學(xué)家最終搞清楚了魚(yú)到底是如何游動(dòng)的，但他們并沒(méi)有搞懂魚(yú)游動(dòng)過(guò)程中能量是如何轉(zhuǎn)移利用的，這也是為什么直到現(xiàn)在，我們還沒(méi)能造出一個(gè)完美的仿生魚(yú)游動(dòng)裝置。

　　之前造出來(lái)的仿生魚(yú)雖然可以模擬魚(yú)的游動(dòng)效果，但問(wèn)題還有一大堆：要么游得太慢，要么功耗太高，要么軀體過(guò)大，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

　　魚(yú)游泳很容易見(jiàn)到，但即使是身邊常見(jiàn)的現(xiàn)象，要搞清楚原理也很難，要復(fù)制它則更難。在大自然面前，人類(lèi)的知識(shí)真的好渺小……

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