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| 上图:正在游动的海月水母。 (图片来自:YouTube) 下图:海月水母。(图片来自:李倦辉、水母小厦) |
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自然界中有很多令人惊讶的事情。蚂蚁可以举起超过自身重量数百倍的物体,蜜蜂可以建造起令建筑师惊讶的蜂巢;而这一次科学家们发现:身体羸弱的水母具有高超的游泳技能。
生活在辽阔的大海里,游泳是一项重要的技能。海洋里有许多游泳健将,比如旗鱼游泳时速可达100千米以上,相当于飞人博尔特百米赛跑时3倍的速度;飞鱼和蝠鲼也有着了不得的本领,它们利用其强壮的肌肉,甚至可以跃出水面。
与肌肉发达的鱼类游泳健将相比,海月水母则像一个在大洋里的塑料袋,“弱小,可怜,又无助”。它们一生随波逐流,每小时只能移动几百米,与身边那些充满力量的鱼类朋友相比,水母游得真是太慢了。
然而,令人惊讶的是,海洋生物学家Brad Gemmell发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究报告表明,身体羸弱的水母在游泳时有一种独特的能量回收机制,能将游动时所消耗的部分能量回收利用,以产生二次推力推动自己前进。通过这种方式,海月水母在每次游动间隔期,都可以在不消耗能量的情况下,继续在水中前进。
为了研究水母这种独特的能量回收机制,Gemmell和斯坦福大学的工程师John Dabiri将海月水母放入一个容器中。这个容器中不仅装满了海水,还有无数细小的中空玻璃珠漂浮于其中。
这些玻璃珠直径只有10微米,当激光照射到这些玻璃珠时,高速摄像机以每秒1000帧的速度记录下这些玻璃珠的运动,以此来获得水母运动时周围的水流速度和压力,构建水母运动时的流体结构。
结果证明,当海月水母收缩伞体时,会在其伞体边缘附近产生一对环形水涡旋。而随着水母伞体的放松, 第二对“小漩涡”也随之在伞体边缘产生,并旋转得更快。
水母的游动带动了水流,而被引导的两个水流“小漩涡”相互配合,在水母口部形成了一个高压区域,进而给水母提供第二次推进力。通过这些“小旋风”式的水涡旋,海月水母可以不断地往自己的伞体中间引入水流,推动自己前进。
水母这种独特的游泳技巧启发了John Dabiri和他的同事,他们为此研究了数年时间,希望通过借鉴水母的游泳方式,改进潜艇和船舶的设计结构,并开发出更具效率的海洋研究机器。这些机器可以在没有能源供给以及人工维护的情况下工作更长时间,收集更多数据,比如长期漂浮在海面上工作的的浮标或潜入深海的自动潜水器。Gemmell也因为对水母游泳的研究获得了美国海军的资助,后者希望根据这个现象设计出更优秀的舰艇。
这听起来是不是很诱人?很可惜的是,这种“事半功倍”的运动方式只适用于低速情况和相对较小的体型。海月水母的游泳方式虽然有效,但是它们在速度和机动性上无法与鱼类匹敌。