海洋生物的“独门绝技”，“螺旋桨”驱动背后的科学

喷气推进的海洋生物可以改善海洋机器人技术

俄勒冈大学的科学家发现，凝胶状海洋动物群落利用协调的喷气推进以巨大的螺旋形状在海洋中游动，这种不寻常的运动方式可能启发高效水下航行器的新设计。

这项研究涉及海瓶藻，这是一种外观类似于水母的小生物，它们每晚都会从海洋深处游到水面。俄勒冈大学的研究人员及其同事使用特殊相机观察海瓶藻的迁徙，捕捉到了这种大型浮游生物优雅而协调的游泳行为。

通过成像和记录，研究人员注意到两种游泳方式。较短的菌落围绕轴旋转，就像一个螺旋状的足球，而较长的链条会像螺旋钻一样弯曲和盘绕。这被称为螺旋游泳。

螺旋游泳在生物学中并不是什么新鲜事。许多微生物也会在水中旋转和螺旋式游动，但海鞘运动背后的机制不同。许多微生物用毛发状突起或尾鞭拍打水，但海鞘通过喷射推进游泳。它们有收缩肌带，就像人类喉咙里的肌带一样，可以将从身体一侧吸入的水泵送至另一端喷出以产生推力。如果模仿这些高效的游泳者，也许可以制造出安静、更少湍流的机器人。

简而言之，这篇论文通过原位成像技术，首次揭示了海洋大型浮游生物的旋转和螺旋运动。研究发现，链状的浮游生物通过扭矩产生旋转运动，这种运动可以是顺时针或逆时针的。更长的链状生物还会从线性轴旋转过渡到螺旋状的游泳路径。这种螺旋运动在微生物中很常见，但对于大型生物来说，其背后的力学机制一直不为人知。该研究填补了这一空白，揭示了分布式推进和宏观螺旋运动的生物力学优势。

参考文献：Kelly R. Sutherland, Alejandro Damian-Serrano, Kevin T. Du Clos, Brad J. Gemmell, Sean P. Colin, John H. Costello. Spinning and corkscrewing of oceanic macroplankton revealed through in situ imaging. Science Advances, 2024; 10 (20) DOI: 10.1126/sciadv.adm9511

一、什么是原位成像技术？

原位成像技术，简单来说，就是科学家们为了研究生物或物质在它们自然生存或工作的环境中是如何活动和变化的，而发展出来的一种直接观察方法。这种方法就像是在生物的“家里”或者物质的“工作场所”安装了一个“摄像头”，让我们能实时、直接地看到它们的一举一动。

原位成像能够实时的在自然环境中进行观察，从不同的角度、尺度观察样品。

为什么需要原位成像？在实验室里，生物或物质的行为可能受到人为环境的影响，而原位成像则能让我们看到它们在自然环境中真实、自然的反应。许多生物过程和物质变化都是动态的，原位成像能让我们捕捉到这些变化的每一个瞬间。原位成像技术结合了显微镜等设备，能让我们深入到微观世界，观察细胞、分子等更小的物质。

原位成像技术在很多领域都有广泛的应用，比如生物学、材料科学、环境科学等领域。

• 生物学： 观察细胞分裂、蛋白质折叠、微生物生长等过程。
• 材料科学： 研究材料在不同条件下的结构变化、性能变化等。
• 环境科学： 监测污染物的扩散、生态系统的变化等。

总结来说，原位成像技术为我们提供了一个观察世界的新视角，让我们能更深入地了解自然界和物质世界的奥秘。

二、如何借鉴研究发现改善海洋机器人技术

这项研究发现海洋浮游生物通过旋转和螺旋运动在水中高效移动，为海洋机器人设计提供了全新的思路和灵感。

仿照浮游生物的螺旋运动，设计螺旋桨或螺旋桨阵列，提高推进效率和机动性。参考浮游生物的旋转和弯曲运动，设计具有多自由度关节的机器人，使其能够在复杂水流中灵活运动。研究浮游生物的运动控制机制，开发仿生控制算法，使机器人能够适应不同的水流环境。

学习浮游生物利用水流的被动运动方式，减少主动推进的能耗。研究浮游生物在运动过程中如何回收能量，设计能量回收系统，提高机器人的续航能力。

仿照浮游生物感知水流的能力，设计水流传感器，提高机器人在水下环境中的感知能力。研究浮游生物与周围环境的交互方式，设计能够与海洋生物进行安全、友好的交互的机器人。

采用柔性材料，模仿浮游生物的柔韧性，提高机器人的适应性。 减轻机器人重量，降低能耗，提高机动性。

通过借鉴海洋浮游生物的旋转运动机制，可以设计出更高效、灵活、智能的海洋机器人，为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋环境保护等领域提供有力支撑。

三、思考

除了链状浮游生物，其他形态的浮游生物（如球形、扁平状）是否也存在类似的旋转或螺旋运动？运动模式与形态之间是否存在相关性？浮游生物的旋转运动所需的能量主要来自哪里？是细胞内的能量转换，还是利用水流产生的机械能？浮游生物如何感知周围环境的变化，并对运动模式进行调节？是否存在神经或化学信号的参与？

不同的水流条件下，浮游生物的运动模式是否会发生变化？环境温度和盐度的变化是否会影响浮游生物的运动能力？海洋污染物是否会影响浮游生物的运动行为？

如何将浮游生物的旋转和螺旋运动机制应用于水下机器人的设计，提高其机动性和能源效率？浮游生物的身体结构是否具有特殊的材料特性，可以为新型仿生材料的设计提供灵感？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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