魚的模擬為游泳的能量成本提供了新的見解

一項(xiàng)新的計(jì)算分析表明，最大化游泳速度，同時(shí)最大程度地降低能源成本，取決于魚的肌肉動(dòng)力與其大小，形狀和游泳運(yùn)動(dòng)影響其在水中運(yùn)動(dòng)的方式之間的最佳平衡。麻省理工學(xué)院的Grgur Tokic和Dick Yue在PLOS計(jì)算生物學(xué)中介紹了這些發(fā)現(xiàn)。

魚和其他生物(例如鮭魚和海豚)以起伏的方式游泳，從而能夠以較低的能源成本實(shí)現(xiàn)高速航行。最近對(duì)游泳過(guò)程中能量消耗的許多見解來(lái)自對(duì)魚類肌肉生物力學(xué)的理解或?qū)τ斡玖黧w力學(xué)建模的進(jìn)步-魚類如何根據(jù)其大小，形狀和游泳運(yùn)動(dòng)在水中運(yùn)動(dòng)。但是，很少有研究將兩者結(jié)合起來(lái)。

為了獲得更完整的圖像，Tokic和Yue使用了他們先前開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，該模型將肌肉生物力學(xué)與游泳流體力學(xué)相結(jié)合。他們使用該模型對(duì)游泳過(guò)程中的能量消耗進(jìn)行了廣泛的分析-從提供給肌肉的能量開始，跟蹤該能量如何轉(zhuǎn)換為有用的水動(dòng)力推進(jìn)器。

與以前的研究相比，新的分析表明，為了最大程度地減少給定體重的魚在給定距離內(nèi)游泳的能量消耗，它不必以最大效率游泳，該效率是由肌肉產(chǎn)生的能量與消耗的能量來(lái)計(jì)算的。為了達(dá)到最大游泳速度，魚肉無(wú)需以最大功率進(jìn)行操作。這些發(fā)現(xiàn)得到了對(duì)九個(gè)數(shù)量級(jí)大小的游泳生物的真實(shí)觀察。

岳說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的，但被基礎(chǔ)物理學(xué)的第一原理證實(shí)了。” “他們認(rèn)為，通過(guò)優(yōu)化肌肉性能和水動(dòng)力之間的平衡，可以顯著提高游泳的精力。”

雖然這項(xiàng)研究模擬了理想化的模型生物，但研究人員希望能夠?qū)φ鎸?shí)的魚類(例如金槍魚或鮭魚)的游泳能量學(xué)建模。這項(xiàng)工作的潛在實(shí)際應(yīng)用可能包括開發(fā)具有前所未有效率的人造仿生游泳設(shè)備。