奔驰仿生车与箱鲀的误解

作者: Jake Buehler

来源: 果壳

发布日期: 2016-12-14

奔驰公司在设计一款符合空气动力学原理的汽车时,选择了箱鲀作为灵感来源,但后来发现对箱鲀的流体动力学特性存在误解。研究显示,箱鲀的体甲并不具备卓越的减阻性能和稳定性,反而增加了不稳定性。箱鲀的灵活游动主要依赖于其小鳍的协调动作和尾巴的舵作用。这一发现揭示了演化中的权衡和生理限制,提醒仿生学设计需要更深入的理解和研究。

上世纪九十年代中期,奔驰公司想要设计一款符合空气动力学原理,同时又具备安全、高效和操作灵活等特点的车。奔驰决定把目光投向自然界,希望从中寻找灵感。在一番搜寻之后,奔驰注意到了箱鲀,一种小小的、热带珊瑚礁鱼类,想要以它为模型。工程师特别对箱鲀的体甲和形状感兴趣,他们认为这种体甲及其形状具有卓越的流体动力学特性。2005年,奔驰发布了一款名为“仿生(Bionic)”的概念车,来自于受箱鲀启发的尝试。

然而,奔驰可能完全误解了箱鲀。根据一篇论文,该公司完全搞错了这种鱼的基本流体动力学特性,所以自然地,也搞错了这款仿生概念车。研究者们通过成功解决“箱鲀游动悖论”指出了这个失误。这一悖论的矛盾之处就在于,受箱鲀体型影响而产生的水流流态,不符合栖息在珊瑚礁体系里的鱼类的日常需要。研究团队用钢棒和平板把这些模型悬挂在水流箱中,然后测量装在上面的感应器所受到的力。

这样他们就能确定有多少阻力是箱鲀的体甲所带来,还能确定水中作用于体甲上精确的力的平衡。研究团队也没发现任何证据显示体甲适合用于自动促进稳定性。实际上,他们看到的与此相反。水流箱实验和模拟都显示箱鲀实际在水中极为不稳定,而且自然而然就会在游动时满世界左右摇动、上下摇摆、忽上忽下。体甲似乎有助于随水流方向的旋转,而不是自动修正方向。

电脑模拟也无法找到螺旋流来促进“涡升力”,本以为它们能把箱鲀推回笔直路线。据此看来,摇摇晃晃、东倒西歪的箱鲀做个陀螺似乎比做一辆车要合适啊。

既然如此,那箱鲀到底是怎么还能游泳的?答案就在它小小的、看似不起眼的鳍上,特别是侧面和尾巴上的那些。很有可能,箱鲀有计划地、协调地同步抖动它们的小鳍们,就干净利落地控制住了它们的七颠八倒的势头。这可以给运动提供稳定性,同时还能促进高机动性。

箱鲀超灵巧的尾巴起到舵的作用,通过把尾巴向一侧弯曲,它能以惊人的敏捷度旋转身体,包括在近零的转弯半径下转出180度的弯来。要是这种能力被注入仿生汽车,全世界和我一样讨厌侧方停车的人无疑都要欢呼到嗓子哑了。一系列持续、微小、受控的游动动作,让它能够掌控极端不稳定的身体,这当然就与箱鲀在自然界中广为人知的传奇机动能力相符了。

奔驰和箱鲀游动悖论的故事不应该被看作是教导我们要“三思而后行”的教训,或者对于仿生学的谴责。相反,这个故事阐明了演化中做出权衡和生理限制的重要性。生灵们受制于物理和化学定律,每个演化策略都伴随着难以避免的缺点和下游效应。比如,鸟类轻盈的骨骼有助其飞行,但是它们没有了祖先更厚实的体型所具备的载重力。

箱鲀游动悖论之所以被视作悖论,本质上是因为它涉及了对于权衡概念的严重违背,产生了一种“鱼与熊掌兼得”的适应情况。人们以为箱鲀是稳定性和机动性兼得的大师,哪怕这两种技能是要彼此牺牲彼此矛盾的。对箱鲀游动能力和流体动力学才能的美好幻想虽然吸引了仿生学工程团队,但好过头以致于不可能是真的。

事实上,讽刺的是,箱鲀做了我们有史以来从鱼类中观察到的最了不起的演化权衡,它抛弃了速度和力量,换来了一系列防御工具和无可比拟的敏捷。这些鱼穿着骨甲盔甲,装备了凶险有毒的皮肤分泌物,它们可以随意释放毒液,所以享受着有条不紊慢慢游的奢侈,不太会受到任何东西困扰太久。它们在演化历程中抛弃了鱼类运动的标志性特点,牺牲流线型体型和酷炫的速度换来了毒素、体刺、可膨胀的身体和板甲等琳琅满目各色其备的能力。

这堆奇葩、这一创新而又比较近的分支(大约五千万年前才分出来的,在鱼类演化的宏大体系中只能算是婴儿了)开辟了一条演化轨迹,从根本上提供了做“鱼”的另类方式。

演化或许没能给奔驰所设想的充满雄心的仿生项目。除非你在路上行车的关注点在于躲避大鱼,不然箱鲀就不是爱车设计的最佳灵感来源。瓦瑟贝尔荷说箱鲀可能更适合作为水下机器人或者船艇的模型。

箱鲀没有为缺乏路线修正机制而悲叹,因为它的不稳定性正是它生存于珊瑚礁里最重要的资本之一,使得它能随心所欲地快速转向。箱鲀的体甲也许仍能在仿生学上派得上用场,不过基于我们现在对它不稳定性的了解,或许从旋转的、催吐的游乐园娱乐设施开始会比较好。也许,有一天,迪士尼乐园恶名远扬的“午餐拜拜”转转茶壶游乐设施会以箱鲀为原型,来个完全没人需要、完全没人想要的大改造呢。这才是箱鲀合适的仿生项目吧。

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