悬停的鱼消耗两倍的能量——研究震惊科学家

这项由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所科学家领导的研究，详细阐述了鱼类悬停的生物力学机制，包括持续微调鳍片姿态以防止倾覆、漂移或翻滚。这种对鱼类如何主动维持位置更深入的理解，可为面临类似挑战的水下机器人或无人机设计提供参考。

7月7日发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的研究结果，推翻了科学文献中长期存在的假设——即对于拥有鱼鳔的鱼类而言，在水中保持静止位置几乎毫不费力。

该假设源于几乎所有硬骨鱼都具有充满气体的囊状结构（称为鱼鳔），使其能够达到中性浮力——既不下沉也不上浮。鱼鳔的存在及悬停鱼类的静止状态，导致研究界认为悬停是一种鱼类易于维持的休息形式。

研究第一作者、斯克里普斯海洋生物学家瓦伦蒂娜·迪桑托（Valentina Di Santo）的先前研究发现，鳐鱼在不同速度下游动所需的能量呈明显的U形曲线：低速和高速游动耗能最高，中速游动能效最优。基于此，迪桑托推测悬停行为可能比表面所见更为复杂。

为深入探究，迪桑托及其合作者对13种具有鱼鳔的鱼类进行了实验。

研究团队将每种鱼置于特制水槽中，记录其主动悬停与静止休息（当鱼依靠槽底支撑体重时）的耗氧量。在鱼类悬停期间，研究人员用高速摄像机拍摄其鳍片运动轨迹，追踪各鳍的运动方式及摆动频率。

研究人员还测量了每种鱼的体型尺寸参数，尤其量化了鱼体重心（由重量分布决定）与浮心（与鱼鳔形状位置相关）之间的物理距离。这些测量数据为评估每条鱼的稳定性提供了量化依据。

研究发现，与先前假设相反，悬停消耗的能量约为休息状态的两倍。

"悬停类似于尝试平衡静止的自行车，"迪桑托解释道。

尽管鱼鳔使鱼类近乎失重，但其重心与浮心并未完美重合，导致鱼类存在固有失稳性。这种分离会产生倾覆与翻滚趋势，迫使鱼类持续调节鳍片以维持位置。研究表明，重心与浮心间距更大的鱼种悬停时耗能更高，表明抵消失稳性是悬停耗能的关键因素之一。

"令我震撼的是，尽管存在先天失稳性，所有这些鱼类都能卓越地保持稳定姿态，"迪桑托表示。

鱼体形态及胸鳍位置也影响悬停效率。胸鳍位置靠后的鱼通常悬停能耗更低，迪桑托认为这可能源于更优的杠杆作用。细长型鱼类（如贝居慈鲷Lamprologus ocellatus和印度斑马鱼Devario aequipinnatus）悬停效率较低；而深体紧凑型鱼类（如金鱼Carassius auratus或八字娃娃河豚Dichotomyctere ocellatus）效率更高。

"这颠覆了我们对悬停的认知——它根本不属于休息形式，"迪桑托强调，"这是高能耗活动，但因实用性强鱼类仍会执行。"

守卫巢穴、定点摄食或维持水层位置等行为的能耗远超既往认知。研究结果还揭示了鱼类体型进化中的权衡：机动性增强以牺牲悬停效率为代价，反之亦然。迪桑托指出，悬停的高能耗并非缺陷，而是赋予鱼类在珊瑚礁等复杂栖息地应对挑战所需卓越敏捷性的必要权衡。

这些发现可为水下机器人及航行器设计提供启示，此类设备同样需在保持敏捷性的同时维持稳定。

"通过解析鱼类实现这种平衡的机制，我们能获得强大设计原则，以构建更高效、响应更灵敏的水下技术，"迪桑托表示。

研究成果尤其有助于提升水下机器人的机动性，使其能够探测珊瑚礁或沉船等复杂难行环境。迪桑托指出，传统水下机器人多采用紧凑稳定设计，但如同鱼类，固有稳定性强的构型往往削弱了机动性。

"若要设计穿越狭窄空间的机器人，可能需要借鉴这些鱼类：引入可控失稳结构，再配备动态稳定系统，"迪桑托建议道。

除迪桑托外，斯德哥尔摩大学的齐雪薇（Xuewei Qi）、斯克里普斯的菲吉·贝里奥（Fidji Berio）、斯德哥尔摩大学/马克斯·普朗克动物行为研究所/康斯坦茨大学的安吉拉·阿尔比（Angela Albi），以及威尔士亚伯大学的奥塔尔·阿坎耶蒂（Otar Akanyeti）共同参与了研究。项目获得瑞典研究理事会、欧盟委员会、斯德哥尔摩大学脑成像中心和海洋生物实验室惠特曼科学家计划的资助。