在瑞士日內(nèi)瓦湖的湖水中，一條“魚(yú)”正以獨(dú)特的節(jié)律游動(dòng)著：它猛地?cái)[尾幾下，然后舒展身體靜靜滑行，如此循環(huán)往復(fù)。

這不是普通的魚(yú)，而是一條長(zhǎng)約80厘米的“鋼鐵小魚(yú)”——ZBot，一臺(tái)受斑馬魚(yú)幼體啟發(fā)的仿生機(jī)器人。

通過(guò)深入研究它的游動(dòng)規(guī)律，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）研究團(tuán)隊(duì)在Science Robotics上發(fā)表的最新研究揭開(kāi)了一個(gè)困擾生物學(xué)家多年的謎題：為什么這么多水生動(dòng)物都采用這種“爆發(fā)-滑翔”的游泳方式？

01.為什么斑馬魚(yú)幼體備受科學(xué)家關(guān)注？

在生物學(xué)研究中，斑馬魚(yú)幼體可以說(shuō)是個(gè)“明星選手”。

它們身體幾乎透明，科學(xué)家可以直接觀察其大腦活動(dòng)；體積小巧，易于在實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模飼養(yǎng)；更重要的是，它們擁有完整的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能執(zhí)行從簡(jiǎn)單反射到復(fù)雜決策的各種行為。

最引人注目的是它們的游泳方式。

不同于我們印象中魚(yú)類流暢的連續(xù)游動(dòng)，斑馬魚(yú)幼體更喜歡“爆發(fā)-滑翔”模式：短暫而有力的尾部擺動(dòng)（持續(xù)約幾百毫秒）將身體向前推進(jìn)，隨后進(jìn)入被動(dòng)滑翔階段，身體保持筆直，如箭般在水中穿行。

這種間歇性游泳策略在自然界中廣泛存在，從僅幾毫米長(zhǎng)的幼魚(yú)到長(zhǎng)達(dá)十幾米的鯨魚(yú)，都在不同程度上采用類似模式。

生物學(xué)家提出了多種假說(shuō)來(lái)解釋這一現(xiàn)象：有人認(rèn)為滑翔階段有助于穩(wěn)定方向、提升感知能力；更多人相信這能提高能量效率，因?yàn)橹蔽不铚p少了水的阻力。但這些假說(shuō)難以在活體動(dòng)物中直接驗(yàn)證，更無(wú)法系統(tǒng)性地測(cè)試不同神經(jīng)機(jī)制如何影響游泳行為。

02.從生物到機(jī)器，“創(chuàng)造”出一條可編程的魚(yú)

這正是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)ZBot的初衷。他們希望建造一個(gè)既能模仿斑馬魚(yú)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)，又能讓研究團(tuán)隊(duì)自由“編程”神經(jīng)控制系統(tǒng)的研究平臺(tái)。

ZBot機(jī)器人的身體由頭部和六節(jié)尾部組成，每節(jié)尾部都由獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以精確控制彎曲角度和頻率。它將斑馬魚(yú)幼體放大約200倍，達(dá)到80厘米長(zhǎng)——這一尺寸既能容納所需的傳感器、電池和控制器，又便于維護(hù)和實(shí)驗(yàn)操作。

ZBot 的概述與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

更重要的是，ZBot搭載了完整的傳感器系統(tǒng)：攝像頭提供“第一人稱視角”，讓研究人員像魚(yú)一樣觀察世界；慣性測(cè)量單元感知姿態(tài)變化；功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能量消耗。通過(guò)遙控器，科學(xué)家可以指揮ZBot執(zhí)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，所有數(shù)據(jù)都被同步記錄。

但ZBot真正的“靈魂”在于其神經(jīng)控制模型。研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)斑馬魚(yú)幼體的觀測(cè)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，模擬控制游泳的關(guān)鍵神經(jīng)組件：

• 中央模式發(fā)生器：能產(chǎn)生有規(guī)律的尾拍信號(hào)，驅(qū)動(dòng)ZBot進(jìn)行沖刺
• 碰撞門(mén)機(jī)制：決定何時(shí)啟動(dòng)和停止擺動(dòng)，控制每次爆發(fā)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間
• 腹側(cè)脊髓投射神經(jīng)元：負(fù)責(zé)在轉(zhuǎn)彎時(shí)讓尾部偏向一側(cè)
• 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元：將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為具體的電機(jī)指令

游泳與滑翔運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)模型

這個(gè)模型不僅能讓ZBot復(fù)現(xiàn)斑馬魚(yú)的典型游泳模式，還能通過(guò)調(diào)整參數(shù)生成多種變體，就像魚(yú)根據(jù)情況選擇不同的“步態(tài)”。

03.在粘稠介質(zhì)中游泳：水動(dòng)力學(xué)的隱秘世界

魚(yú)類在不同生命階段和環(huán)境中會(huì)遇到截然不同的水動(dòng)力條件。

一條微小斑馬魚(yú)幼體（約4毫米）游動(dòng)時(shí)，周?chē)飨鄬?duì)“粘稠”，物理學(xué)家用雷諾數(shù)（Re）描述這一特性：Re值低表示粘性主導(dǎo)，高則表示慣性主導(dǎo)。斑馬魚(yú)幼體的Re值在60-1400之間，處于“中間流”狀態(tài)；而成年魚(yú)類或大型海洋生物則生活在“湍流”狀態(tài)，Re數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至百萬(wàn)。

為了探究水動(dòng)力條件如何影響游泳行為，研究人員沒(méi)有重新制造不同尺寸的機(jī)器人，而是改變了ZBot所處的液體環(huán)境。他們?cè)谒刂蟹謩e測(cè)試了三種介質(zhì)：普通水（1厘泊）、中等粘度液體（214厘泊）和高粘度液體（457厘泊）。

不同粘度下的游動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著粘度增加，ZBot的滑翔距離急劇縮短。在水中，一次爆發(fā)后的滑翔距離可達(dá)體長(zhǎng)的3倍；而在高粘度液體中，幾乎完全沒(méi)有滑翔階段。然而，粘度對(duì)轉(zhuǎn)彎角度的影響卻小得多。這一發(fā)現(xiàn)表明，在不同水環(huán)境中，動(dòng)物可能需要調(diào)整游泳策略以適應(yīng)變化的水動(dòng)力條件。

04.能量效率之謎：超越“空擋滑行”的新解釋

長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為，“爆發(fā)-滑翔”游泳之所以節(jié)能，主要是因?yàn)榛桦A段身體保持筆直，減少了水的阻力。EPFL團(tuán)隊(duì)通過(guò)ZBot的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了這一“流體力學(xué)假說(shuō)”在水中確實(shí)成立。

但他們提出了一個(gè)同樣重要甚至更基礎(chǔ)的新假說(shuō)——“執(zhí)行器效率假說(shuō)”：間歇性游泳之所以高效，是因?yàn)樗寛?zhí)行器（魚(yú)的肌肉或機(jī)器人的電機(jī)）在更高效率的工況下工作。

我們知道，無(wú)論是生物肌肉還是電機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換效率都隨負(fù)載變化。伺服電機(jī)的效率曲線呈山丘形，在中等負(fù)載時(shí)效率最高，而在負(fù)載極輕或極重時(shí)效率下降。連續(xù)游泳時(shí)，電機(jī)需要持續(xù)工作在較寬負(fù)載范圍，包括低效率區(qū)間；而間歇性游泳通過(guò)集中發(fā)力，讓電機(jī)更多時(shí)間處于高效率的中高負(fù)載狀態(tài)，從而提高整體能效。

滑行游泳提升了ZBot的能量效率

研究團(tuán)隊(duì)量化了運(yùn)輸成本（CoT，即移動(dòng)單位距離消耗的能量），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：ZBot在“爆發(fā)-滑翔”模式下的CoT曲線呈U形，存在一個(gè)最佳速度區(qū)間（約0.18體長(zhǎng)/秒），此時(shí)能量效率最高。相比之下，連續(xù)游泳的最佳效率速度更高（約0.3體長(zhǎng)/秒），但在低速和中速區(qū)間，其能量效率明顯低于間歇性游泳。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的粘稠液體實(shí)驗(yàn)直接支持了他們的假說(shuō)。在高粘度環(huán)境中，滑翔距離幾乎為零，這意味著傳統(tǒng)的“阻力減小”機(jī)制幾乎不起作用。然而即便在這種情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，間歇性游泳仍比連續(xù)游泳更節(jié)能。

此外，ZBot的神經(jīng)模型還展示了生成游動(dòng)多樣性的潛力。通過(guò)調(diào)節(jié)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，例如尾部擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)頻率、爆發(fā)頻率、爆發(fā)持續(xù)時(shí)間和尾部偏置程度，研究人員讓機(jī)器人復(fù)現(xiàn)了多種斑馬魚(yú)典型的游泳步態(tài)。這為理解神經(jīng)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)產(chǎn)生復(fù)雜行為提供了工程學(xué)視角。

通過(guò)作神經(jīng)模型參數(shù)，機(jī)器人控制器產(chǎn)生多樣化的運(yùn)動(dòng)學(xué)輸出

特別值得關(guān)注的是，這一神經(jīng)架構(gòu)可以與感覺(jué)處理模塊無(wú)縫整合。在團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究中，他們將視覺(jué)處理回路與游泳控制模型結(jié)合，使ZBot能夠像真實(shí)斑馬魚(yú)一樣對(duì)光流刺激作出反應(yīng)，展現(xiàn)出視覺(jué)引導(dǎo)行為。

05.結(jié)語(yǔ)

ZBot的故事是現(xiàn)代仿生學(xué)的縮影，通過(guò)建造一個(gè)“可編程的生命體”，科學(xué)家們得以用前所未有的方式探索自然設(shè)計(jì)的邏輯。

那條在日內(nèi)瓦湖中優(yōu)雅滑翔的鋼鐵小魚(yú)，正改變著我們理解生命運(yùn)動(dòng)的方式。它提醒我們，在億萬(wàn)年的進(jìn)化中，自然已經(jīng)找到了無(wú)數(shù)巧妙的解決方案，等待著我們用開(kāi)放的心靈和精巧的技術(shù)去發(fā)現(xiàn)、理解和學(xué)習(xí)。

當(dāng)我們下一次看到魚(yú)群在水中游弋，或許會(huì)多一份理解：那些看似簡(jiǎn)單的擺動(dòng)與滑翔，背后可能隱藏著關(guān)于效率、適應(yīng)性和智能的深刻原理。而這些原理，正通過(guò)像ZBot這樣的仿生使者，逐漸向人類揭示它們保守已久的秘密。