为什么海马尾巴的横截面是方形的?

q345r2022-06-24  15

为什么海马尾巴的横截面是方形的? 01

这种尾部结构可以帮助海马更好地抵抗外界的挤压和扭曲,提高海马尾部的抓取能力。

四组L形骨板围绕着一个方形的尾巴形状,保护着中间的脊柱。【/br/】和圆的比起来,横截面这么方的尾巴有什么特别之处?在《科学》杂志上,美国克莱姆森大学的Michael middot迈克尔·m·波特和他的团队解开了这个谜。

在整个动物界,只有海马、海龙等少数类群进化出了方尾。
然而,研究发现,这种尾部结构可以帮助海马更好地抵抗外界的挤压和扭曲,提高海马尾部的抓取能力。

首先观察海马尾部的弯曲能力和骨板结构。
组成海马尾部的骨板越靠近尾侧就越小,这样海马就能顺利地将尾部弯曲成对数螺线,在尾尖附近达到最大曲率。
经过测量,发现海马体的尾端可以向腹侧弯曲多达850 deg向后侧和两侧的弯曲度可达290度;和570度;。
海马体各骨板的大小、倾斜角度、重叠程度都可以影响其弯曲能力。

根据海马尾骨板的细节,3D打印出海马的方尾模型,虚拟构建相应的圆尾模型进行对比。
3D打印使我们能够模仿自然界中存在的奇妙设计,同时还能建造自然界中尚未被发现的全新模型。我们可以将这些模型相互比较,为工程设计提供灵感,也可以解释生物的一些进化过程。

通过3D打印模型的对比,海马的方尾结构表现出了更好的抗压能力:当面对外界冲击时,骨板可以侧向滑动,从而吸收冲击力,更好地保护脊柱。
在极端情况下,海马体的方形骨板可以变形近50%,而不会对脊柱造成永久性损伤。

在弯曲能力上,方尾车型和圆尾车型差别不大。但由于方尾模型提供了更大的横截面周长,扩大了与外界的接触面积,使得海马的尾巴在弯曲时表现出比圆尾更强的抓握能力。
此外,圆尾款的最大扭转角度可达30 deg而方尾模型只有大约15度这种相对较窄的扭转范围也可以更好地保护海马免受外部扭转力的影响。

方尾是雨龙科和海龙科祖先的形态特征。
这些鱼全身都披着骨骼铠甲,可谓硬如马。
只是其中一部分有抓取能力,另一部分没有。
由于方形结构具有更强的抗压能力,这种结构更有可能是一种适应护甲功能的特质,而不是增加抓握能力。
不过结果表明,方尾在抓握方面也有其力学优势。可以想象,这些鱼坚硬的骨板也可能向更灵巧的方向进化,多出来的形状就变成了抓取功能。

当我们需要兼顾防御和抓握功能时,这种方形截面结构是一种优越的设计。
科学家认为这项研究将有助于机器人领域的创新。
海马体的这种结构可以应用于机械臂的设计,在工业、军事、医疗等领域可能会相当有用。
在触手或蛇形机器人的设计中,这种骨板结构比传统的硬结构更轻、更灵活,也比软结构更抗压。
除此之外,海马的方尾还可以为RD人员在石油和天然气的勘探和采集、军事工业中人体装甲的设计、医疗中假肢和支架的设计等方面提供有价值的参考。

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