有一天，水下機器人可能會非常逼真地模仿魚一樣的生物，它們不僅能騙過真正的動物本身，也會騙過人類。這種能力可以獲得各種信息，從魚類的健康狀況到外國船只的位置。

那么，這樣的機器人需要速度快、效率高、機動性強、聲音隱秘。換句話說，它們必須非常像寬吻海豚或虎鯨。

利哈伊大學工程與應用科學學院機械工程與力學助理教授基思 · W · 莫瑞德說 :" 我們對開發下一代水下交通工具很感興趣，所以我們試圖了解海豚和鯨魚是如何高效地游泳的。"" 我們正在研究這些動物是如何設計的，以及這種設計在它們的游泳性能或游泳的流體力學方面有什么好處。"

莫瑞德是最近發表在《英國皇家學會界面雜志》上的一篇論文的首席研究員，該論文通過數值模擬鯨魚類動物擺動的尾鰭來研究它們的流體力學。莫瑞德和他的團隊第一次開發出一個模型，可以定量地預測鰭的運動應該如何調整到它的形狀，以最大限度地提高效率。

該研究是海軍研究辦公室多學科大學研究計劃支持的一個更大項目的一部分。該項目在 5 年多的時間里獲得了超過 700 萬美元的資助，其中 100 萬美元將捐給利哈伊大學，還包括弗吉尼亞大學、西切斯特大學、普林斯頓大學和哈佛大學。

鯨目動物 ( 鯨魚和海豚 ) 的尾鰭有各種各樣的形狀。這些動物移動鰭的方式，或者說它們的運動學，也各不相同。有些鯨科動物的鰭的拍動幅度比較大，或者傾斜的角度比較大。莫瑞德和他的團隊希望更好地理解這兩個變量之間的相互作用，以確定尾鰭形狀是否適合特定的運動學集合。

利用五種鯨類動物的形狀和運動數據 ( 它們通常被稱為寬吻海豚、斑點海豚、虎鯨、偽虎鯨和白鯨 ) ，他們對每一種動物進行了模擬，以確定它們的推進效率。然后，他們交換了數據，例如，對一頭虎鯨的鰭形與海豚的運動學進行了模擬。

" 我們運行了 25 個這樣的交換模擬，結果真的令人很驚訝。" 莫瑞德說。" 偽虎鯨鰭的形狀總是最好的，這意味著它是最有效的。我們給它什么樣的運動學并不重要。而白鯨的運動學總是最好的，不管它附著在什么形狀上。我們沒有預料到這一點，所以我們開始深入研究，并開發了這個相對簡單的模型，即效率如何根據不同的運動學和形狀變量進行衡量。"

這個模型很好地捕獲了莫瑞德和他的團隊已經生成的數據，因此他們擴展了數據集來檢查任何結果趨勢。他們發現，這一模型不僅預測了數據集之外的效率，而且還揭示了特定的形狀是根據特定的運動學定制的。

莫瑞德說，一個有趣的發現是，循環力和增加的慣性力之間的基本相互作用，有助于動物的運動。循環力是產生升力的力，就像飛機一樣。

" 一個上下擺動的尾巴會產生像飛機一樣的力，但它也會產生額外的慣性力，這與流體加速的速度有關。" 莫瑞德說。" 在過去，人們并不認為這些增加的力與鯨魚類動物的游泳有什么關系。這在之前的文獻中完全沒有被承認。但我們發現，鰭的加速對預測效率的趨勢是不可或缺的，這讓我們很著迷。它最終給了我們一個準確的預測模型。沒有它，我們基本上可以說，鰭的形狀不會改變效率，這不是真的。"

擁有一個可以根據形狀和運動學來預測性能的模型，為建造一個像鯨魚類動物一樣的水下機器人提供了一個基本的設計方程。這些機器的潛力是巨大的。快速、高效和高度可操控的魚形機器人可以幫助研究人員測試關于動物如何游泳的假設，并更好地了解魚群的行為。它們可以用來探測潛艇和其他潛水器。它們還可用于監測氣候變化對魚類種群數量的影響。

莫瑞德和他的團隊已經繼續前進，并擴展了模型，以考慮更大范圍的變量，然后用實驗數據進行驗證。最終，他們想建立一個更有預見性的模型，可以捕獲這些變量的影響，然后預測一系列應用的性能。

" 關于魚的游動問題真的很令人興奮，因為它太復雜了。" 他說。" 從這些混亂的變量中看到秩序，看到其中的結構，并理解正在發生的事情，這很有趣。"
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