竞速“生命通道”，火箭军某部开展实战化卫勤比武

2001 年，科学家们精心设计(jīngxīnshèjì)了(le)(le)一个科学实验。他们给一只名叫 Rosi 的港海豹（海豹科、斑海豹属动物）佩戴了不透光的眼罩(yǎnzhào)和隔音的耳罩，在(zài)暂时(zànshí)屏蔽其视觉和听觉信号的情况下，测试它能否跟上一条小型潜艇的轨迹。潜艇由螺旋桨驱动，像一条机械鱼，在水池中以 2 米每秒的速度划出直线，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。

海豹用胡须(húxū)追踪鱼的轨迹 图片来源：heather beem

潜艇留下的(de)痕迹只有狭窄的水流通道，并且超过 20 秒后(hòu)，水流的轨迹就会慢慢消失。这些水流痕迹模仿了鱼类游动留下的涡旋，像隐形的足迹，肉眼无法(wúfǎ)捕捉。潜艇运行固定距离后，停在一个半圆周上，周长 12.57 米(mǐ)，Rosi 的任务是潜入水下，找到它(tā)。

图（a）图中展示(zhǎnshì)了一个水下实验装置。实验者站在(zài)平台上，平台下方是水面，水下有一个潜水站，海豹佩戴眼罩和耳机以(yǐ)隔离视觉和听觉干扰。图（b）这一部分展示了海豹追踪运动的序列图像，时间戳从(cóng) 00.00 秒到 17.13 秒 图（c）展示了海豹追踪时的两种(liǎngzhǒng)轨迹 图片来源：参考文献[3]

水池(shuǐchí)上方，摄像机记录下 Rosi 的每一帧行动画面。Rosi 潜入水池，88 根胡子展开，像天线般微微抖动。接着，它朝水池中心游去，头部(tóubù)轻轻摆动，像是用(yòng)胡子“嗅”着水流的低语。

令人难以置信的是，Rosi 在 326 次(cì)试验(shìyàn)中成功找到潜艇的次数为 298 次，成功率约 91.4%，远超偶然概率的 13 次。并且，它追踪的距离可远达 180 米，不仅能追踪直线痕迹，还能跟着弯曲(wānqū)的涡旋游动(yóudòng)。

海豹的(de)“追踪神器”是什么？

目标物的轨迹如此狭窄、痕迹停留时间(tíngliúshíjiān)如此短暂，海豹究竟拥有什么样(shénmeyàng)的“追踪神器”呢？

答案是(shì)胡须。海豹胡须的(de)(de)毛囊周围有复杂的血窦（具体来说，它是一组充满血液的腔隙，位于毛囊的基部）和多种机械(jīxiè)感受器，能感知微弱的水流信号，将机械信号转为电信号，传递到大脑的体感皮层。而它们的 88 根胡须则像(xiàng)“神经网络”，能够整合信号，绘制出水流的“动态地图”，就像一个精密的水下雷达。

海豹 图片来源：Earth 网(wǎng)

然而，水下的(de)环境极为复杂，水下的“背景噪音”极大。想象你在(zài)一条喧闹的大街上，想听清朋友(péngyǒu)低声(dīshēng)说话，但周围的车声、人声令你晕眩。同样地，海豹的胡须在水下面临的“背景噪音”就有类似的感觉。

水下的(de)背景噪音不仅来源于水中悬浮颗粒的碰撞，还有水中的杂乱水流，最重要(zhòngyào)的是(shì)一种叫“涡激振动”（vortex-induced vibrations）的影响。涡激振动是流体力学的一种现象。当水流或空气以(yǐ)一定速度流过物体时，流体会因为物体的阻挡而分裂，形成周期性的涡旋。这些涡旋产生不均匀的压力(yālì)，推着物体振动。振动的频率（晃动的快慢程度(chéngdù)）取决于流速、物体形状和大小。

理论上(shàng)，当海豹游动时，水流经过胡须会形成小旋涡，这些旋涡会推着胡须来回晃动(huàngdòng)，产生的(de)便是涡激振动。这种晃动就像收音机里的杂音，干扰胡须感知鱼类尾流等微弱信号。

因此，新的谜团浮现了：海豹的胡须是(shì)如何捕捉这些(zhèxiē)微弱信号的？怎么消除周围的干扰获取精准的信号？

高精确度的(de)“水下雷达”？

2010 年，科学家们对(duì)海豹胡须展开了实验。他们搬出了一个旋转(xuánzhuǎn)流槽，像个巨大的旋转木马，直径 1.24 米，水深 20 厘米。水槽(shuǐcáo)绕中心轴旋转，制造出稳定的水流，速度从(cóng) 0.323 米每秒到 0.550 米每秒。

科学家们从自然死亡的幼年海豹和博物馆标本中取来三根(sāngēn)港海豹胡须(húxū)和三根加利福尼亚海狮胡须，长度相近。

虽然海豹和海狮就像“表兄弟”，生活方式和环境很像，但它们的胡须结构不太一样。海豹的胡须有(yǒu)独特的波浪状结构，每根胡须有 10~12 个波峰波谷，波长 1.5~2 毫米，横截面为椭圆形(tuǒyuánxíng)；而海狮的胡须是平滑(pínghuá)的圆柱形，横截面近(jìn)圆形，直径约(zhíjìngyuē) 0.4 毫米。

港海豹(hǎibào)（AB）和加利福尼亚海狮胡须（CD）的结构(jiégòu)差异 图片来源：文献[2]

它们的(de)(de)胡须被固定在一个压电传感器上，传感器像(xiàng)个超级灵敏(língmǐn)的“地震仪”，能够测量水流对胡须的推力。为了使海豹胡须周围的涡流可视化，科学家在水槽中加入了微小的塑料颗粒，这些颗粒会随着水流而移动。激光照射颗粒，便会形成图案。

实验(shíyàn)水槽 图片来源：伍兹霍尔海洋研究所

结果(jiéguǒ)发现，在相同水流速度(sùdù)下，港海豹胡须的振动幅度比海狮胡须低 6.2 倍，甚至在所有速度（指实验测试的水流速度范围，从(cóng) 0.323 米/秒(miǎo)到 0.55 米/秒不等）下低 9.5 倍。海豹的波浪胡须就(jiù)像(xiàng)装了“减震器”，几乎不受水流涡旋的干扰。这让(ràng)海豹胡须能清晰捕捉水流速度低至 0.25 毫米每秒的信号，将信噪比（是一个衡量信号质量的指标，定义为有用信号功率与背景噪声功率的比值，通常用分贝（dB）表示。）提高了 2 倍。

水流经过(jīngguò)三种不同形状物体(tǐ)——港海豹胡须、椭圆柱体和圆柱体时形成(xíngchéng)的涡流差异。波浪状胡须通过打乱涡流群，让涡流形成更远，减少了振动 图片来源：参考文献[3]

故事并未止步(zhǐbù)，对海豹胡须的研究还在延伸。

2015 年，麻省理工学院（MIT）的工程师们用 3D 打印(dǎyìn)技术复制了海豹胡须的波浪状(bōlàngzhuàng)结构(jiégòu)，打造出“人工海豹胡子”传感器。

人造胡须的形状(xíngzhuàng)和海豹胡须相近，但比(bǐ)真的海豹胡须粗 50 倍 图片来源：heather beem

这些胡须用柔性树脂制成，硬度与海豹胡须的角蛋白相仿，既坚韧(jiānrèn)又弹性十足。为了对比，他们还打印了平滑的圆柱形(yuánzhùxíng)胡须，模仿加利福尼亚海狮的胡须。当然，人工海豹胡须不负期待，它们以 60%~80%的振动抑制和(hé) 1.8~2.2 倍(bèi)的信噪比(xìnzàobǐ)，证明了海豹胡须的工程潜力。

仿生学通过模仿自然界的精妙设计解决工程(gōngchéng)难题。海豹胡须的波浪状结构是亿万年进化的结果，兼顾抗振和信号感知(gǎnzhī)。模仿海豹胡须打造出复制品有助于开发出高灵敏、低干扰的传感器，超越传统设备（如声呐(shēngnà)）在浑浊水域的局限，有望将(jiāng)其应用于水下机器人、航空甚至(shènzhì)医疗领域。

想象一下(yīxià)，一台水下(shuǐxià)机器人，装着波浪状(bōlàngzhuàng)的(de)“人工海豹胡子”，在浑浊的港口(gǎngkǒu)里穿梭。港口的水像一锅混汤，充满了泥沙和垃圾，传统的声呐“看不清路”。但这些胡须传感器却像海豹一样，灵敏地“嗅”到了一股微弱的水流——那是(shì)泄漏的油污在水里扩散的痕迹，速度只有每秒 0.5 毫米，比蜗牛爬还慢。机器人顺着水流，精准定位到漏油点，误差不到 10 厘米，帮工程师迅速封堵(fēngdǔ)污染，保护了海洋生态。

在医院里，医生(yīshēng)们用微型波浪状传感器，模仿胡须的(de)抗振和感知能力，将其装在微流控设备上，可以检测血液或体液的流动变化。这些传感器能捕捉到 1 微米的微小扰动，协助医生发现血液里异常的细微信号(xìnhào)，比如早期癌症的线索(xiànsuǒ)。它们安静(ānjìng)又精准，就像海豹在水下“听”鱼儿的低语，给了患者更早的治疗机会。

这些应用只是冰山一角(bīngshānyījiǎo)。看似科幻，也许在(zài)不久的将来就能实现，我们拭目以待。

从港口的“环保卫士”到医院的“健康侦探”，波浪状的海豹(hǎibào)胡须像一把万能钥匙，指引着人类打开了无数扇科技之门，我们期待(qīdài)着早日利用这些(zhèxiē)动物世界的智慧改变生活。

作者(zuòzhě)丨苏澄宇 科学创作者