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本科生科研指南(67):科研选题之师法海洋动物 精选

已有 3383 次阅读 2020-11-17 13:16 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得

本科生科研指南(67):科研选题之师法海洋动物

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

大自然蕴藏着尚未被我们所利用的丰富的能量,没有比大自然和人们的意志与智慧所创造的现实更大更全的大学了。

              ----马克西姆·高尔基(Maxim Gorky,1868-1936)

  

科研选题是本科生开展科学研究过程中的重要环节之一。如“好的开始是成功的一半”,一个好的选题不仅能为后面科学研究的顺利开展打下坚实的基础,也可以有效地避免盲目而低效率的各类错误和行为。在众多的选题渠道中,大自然的的确确是科研选题的宝库,给我们带来了无穷的灵感。具体而言,大自然中各种动物的神奇功能和行为经常让我们叹为观止,从而激发起强烈的兴趣并一探究竟。本期,通过介绍三个科学研究例子简要介绍如何从海洋动物中发掘科研选题的灵感并围绕此建立较为密切的联系和应用。

 

一、座头鲸的秘密

 

鲸鱼的鳍通常都是光滑的,但座头鲸的背鳍周围却有着让人颇为惊诧的小突起。座头鲸是须鲸的一种,成年的座头鲸体长在12-16米之间,体重大约是36吨。这个现象让美国宾夕法尼亚州的生物学家弗兰克·费什颇为疑惑。在一次波士顿礼品店购物的过程中,他惊奇地发现店中一只座头鲸雕像上鲸鱼的背鳍周围有疣状的小突起。这些疣状的突起不在鱼鳍的后端,而是沿着其前端进一步向前延伸。从流体力学的视角而言,突起经常会导致流动恶化,有可能进一步增加座头鲸行进过程中的阻力。这些突起让人颇感意外,因为大部分鲸鱼的鳍前缘都是光滑的。

带着这个困惑,费什博士开始了对座头鲸背鳍的细致观察与深入研究。研究结果显示,座头鲸背鳍上凹凸不平的突起有着恰到好处的形状和位置,不仅不会影响座头鲸在水中的游动,而且还能产生微小的漩涡使鲸鱼受到一定的浮力,并能帮助座头鲸在海中游泳时减少一定的摩擦。这些研究结果很好地解释了为什么庞大的座头鲸能在水中令人称奇地敏捷游动。座头鲸的这一效应被费什博士命名为结节效应”

 

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图一 座头鲸的鲸鳍上有小突起

 

值得一提的是,结节效应已被成功地应用在涡轮机叶片的设计过程中。从实际情况来看,通过在风力机涡轮叶片上增加精心设计的一系列突起和结节结构可以有效地减少叶片周围流体的阻力损失,大大提升涡轮叶片的效率。另外,结节效应已成功应用到冲浪板电风扇自行车管胎设计等日常生活之中,进一步改善了产品性能并提高效率。

 

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图二 仿生风力机涡轮叶片

 

座头鲸还有一个很神奇的地方便是其捕食的方式。一群座头鲸在鱼群下方和周围呈收缩状的圆形游弋,同时吐出空泡,形成直径可高达30米的空泡网,从而将鱼群限制在一个狭小的空间中进行捕食。通过将一个小型的设备植入座头鲸的背部,人们得以详细了解座头鲸的捕食秘密。首先,一群座头鲸下潜到目标鱼群的下方并呈现一个收缩的圆形的分布。接着,座头鲸吐出空泡形成空泡网包围鱼群。最后,座头鲸快速的自下而上的冲向鱼群,并张开大口,吞下大量的鱼,完成捕食。在整个过程中,每个座头鲸都有着明确的分工,比如,有的负责吐空泡,有的潜入水下向上驱赶鱼群,还有的发出呼啸声将鱼群控制在空泡网内等等。通过重建座头鲸捕食过程中的动作和空泡网的三维图像,科学家还进一步发现了座头鲸的一种前所未知的双层空泡网的捕食方式,有待进一步的探索研究。


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图三 座头鲸利用空泡网进行捕食

 

二、鲨鱼皮的神奇结构


除了鲸鱼,海洋中的另一个“霸主”——鲨鱼的生存智慧也给人类的科研带来了许多灵感。相比于海洋中的其他大型海洋生物,鲨鱼虽然身躯庞大,但游动速度极快,且没有藻类、藤壶等海洋生物附着在皮肤上的困扰。通过研究,科学家们发现鲨鱼的体表分布着V形盾鳞,鳞片之间形成的沟槽可以使得水流快速从中流过,降低鲨鱼在水中游弋的阻力,提升游动速度。同时,盾鳞的存在使得鲨鱼皮表面形成许多高低、长短不一的突起,这种表面结构能够防止海洋生物的附着,进一步提高了鲨鱼的游动速度。当前,鲨鱼皮的特殊结构主要应用于仿生泳衣,可以有效降低游泳时的阻力。此外,鲨鱼皮涂层可通过改善军用舰船和商用船只的船体表面结构从而提高其航行速度,并防止船体表面上的“生物淤积”,降低了船舶的清理成本。

 

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图四 鲨鱼皮的微观结构

 

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图五 仿鲨鱼皮涂层微观结构

 

三、水母和水母耳风暴预测仪


依托自然界中动物的行为开展科学研究的又一个成功例子是水母耳风暴预测仪。风暴的预测对于在海上航行的船只和沿海的渔船来说有着极其重要的作用和意义。因此,研制能够有效预测、预警海上风暴的仪器对保护船只的航行安全有着重大意义。

基于长时间的生活经验,渔民发现在风暴来临前,身体柔软的水母会率先从沿海游向海洋深处避难,好像能听到风暴的“广播”。这个现象很快激发了很多科学家的研究热情,并为此孜孜不倦地探索。研究结果显示,在海上风暴来临前,空气和海面的波浪相互摩擦可以产生次声波。遗憾的是,次声波的频率较低,小于20赫兹,因此人体无法有效地接收和感知到。但是,自然界中的很多动物均可以有效地接收到次声波,例如水母。在水母耳朵的内部有一个极小的听石,次声波能使小听石发生一定程度的振动,并进一步刺激水母耳壁内的神经感受器,使得水母可以听到人耳听不到的次声波,从而了解到远处的风暴即将到来并提前转移到深海处躲避。

在探析了水母躲避海上风暴的原理之后,科学家们仔细地研究了水母耳朵的结构并依据此设计出了水母耳风暴预测仪。该仪器利用次声波来预警海上风暴,与水母的耳朵有着异曲同工之妙。在接收到海上风暴产生的特定的次声波后,预测仪可以准确地给出风暴来临的方向,并依据次声波的强度来计算风暴的强度等级。目前,水母耳风暴预测仪已经能够较为准确地预测15小时后的海上风暴,从而进一步健全和完善了海上灾难预报、预警系统,最大限度上保障了海上行进中的各类船只的安全。

 

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图六 水母耳风暴预测仪

 

经过亿万年的进化和演变,大自然中的很多生物均有着独特的生存智慧。通过细致的观察和系统性的学习,本科生可以尝试借助大自然的鬼斧神工激发出独具特色的科研想法,从而创造出更多的科学发现

 

 

 




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2 黄永义 王安良

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