對鯰魚如何捕捉獵物的研究,發現魚類頭骨的內部結構為其提供了一個無與倫比的視角,并可能為新型水下機器人提供靈感。


羅德島州普羅維登斯市布朗大學的首席研究員亞倫?M?奧爾森(Aaron M.Olsen)開始這項研究只是為了更好地了解魚類是如何工作的,一個偶然的機會,他發現,魚類捕捉和操縱獵物的方式與人類甚至機器人系統如何拾取和操縱物體之間的相似之處。


“魚沒有像我們這樣的手或臂來抓住獵物。在水下,它們的獵物可以旋轉并在三個維度上自由移動,甚至游走。即使當魚被獵物捕獲時,它們仍然必須移動并重新定向。就像我們用舌頭一樣在嘴里。但是魚也缺乏靈活的舌頭。這是極具挑戰性的,”奧爾森說。奧爾森開玩笑說:“大多數人都親身體驗過吃魚的感覺?!?


對魚類頭骨結構的研究 為新型水下機器人提供靈感


為了了解魚類如何克服這一挑戰,奧爾森及其合著者,喬治華盛頓大學的帕特里夏·埃爾南德斯和布朗大學的伊麗莎白·布雷納德共同研究了channel魚,這是美國最常見的貓魚種類。奧爾森及其合著者使用一種稱為X射線移動運動重構的X射線捕捉技術,拍攝channel魚捕獲和吞咽食物的過程。這項技術為研究人員提供了類似于X射線視覺的功能,使他們可以在魚類進食時看到魚的內部。這里有很多值得一看的地方:人類的頭骨只有一個活動的顎骨,而魚則有十幾個活動的骨骼,它們被連接在一起形成工程師所謂的連桿或機構,而一系列的剛性連桿則通過柔性關節相連。


研究人員發現,cat魚和其他許多魚類的頭骨起著17鏈機制的作用,這在生物力學或人類工程系統中是前所未有的。奧爾森說:“我們以前知道魚的頭骨上有多個四連桿,甚至是六連桿,但是我們還沒有弄清楚這些連桿是如何連接和一起起作用的。通過這項研究,我們現在擁有最多的完整地表示了魚頭骨的機械功能。


對魚類頭骨結構的研究 為新型水下機器人提供靈感


17連桿機構讓人想起復雜的機械設備,它允許嘴巴以幾種不同的方式移動以影響水和捕獲的獵物的運動。這包括張開嘴巴或嘴唇的前部,水平張開嘴巴的中部,垂直張開喉嚨以及使ill蓋張開或張開。作者發現,這種機制在口腔內產生了至少三種不同類型的流體“波”:從前到后的波將獵物吸引進去,從后到前的波將獵物向前推進,以及他們所說的壓縮波,可以將獵物更精確地定位在嘴里。


對于大多數人來說,令人驚訝的是,魚嘴并不是一個簡單的開關機制。它可以以多種不同的方式運動,”奧爾森說?!暗橇钊梭@訝的是,即使魚類具有所有這些運動部分,它們實際上也只能以大約七種不同的方式運動其嘴巴來捕獲和吞咽食物。魚嘴實際上更像我們的手臂,而不是我們的嘴。我們可以用大約七種不同的方式來移動手臂,以達到并抓住環境中的物體。盡管看上去很不一樣,但是魚嘴和人手臂都遵循這一基本原理,即,如果要操縱對象,則必須能夠以許多不同的方式移動?!?


奧爾森(Olsen)認為,他們的發現可以激發對水下捕捉和操縱物體的機器人設計的改進,這是一個不斷發展的領域,稱為生物啟發設計?!霸O計一個可以在水下操縱漂浮物的機器人非常困難。水下自動駕駛汽車可能會擁有像我們自己的胳膊一樣的機械臂,可以很好地操縱較重的物品,但是卻無法抓住或壓碎漂浮物。而且它們可能擁有一個可以吸住或吹走漂浮物但不能高精度地移動和旋轉它們的吸力裝置,在結構上設計得更接近魚嘴可能會有好處,因為魚已經經歷了數億年的進化應對此類挑戰的解決方案?!?


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