人类曾经照着箱鲀设计了一款车，但好像完全误解了箱鲀……

作者：Jake Buehler

翻译：球球

编辑：Ent

上世纪九十年代中期，奔驰公司想要设计一款车。

不过不仅仅是随便设计一款，也不仅仅是随便用哪条设计路线。奔驰追求的是设计一款符合空气动力学原理，同时又具备安全、高效和操作灵活等特点的车。奔驰决定把目光投向自然界，希望从中寻找灵感。

在一番搜寻之后，奔驰注意到了箱鲀，一种小小的、热带珊瑚礁鱼类，想要以它为模型。和地球上别的长鳍的动物不同，箱鲀被一个方形或三角形的、轻盈的、坚硬的骨质外壳（称为体甲）完全包裹起来。体甲完全由无数更小的、融为一体的石状板衍生而来，看起来就像被美杜莎石化了的蜂巢。

粒突箱鲀。（你瞅啥？）图片来源：zsispeo/Flickr

工程师特别对箱鲀的体甲和形状感兴趣，他们认为这种体甲及其形状具有卓越的流体动力学特性。箱鲀的身体，虽然是个块状的、宽宽的、又带有圆角的形状（和汽车正好相似呢），但据称有格外低的阻力。此外，体甲还被认为具有独特的、内在的、自动修正的稳定属性，这种属性可以引导水流，使游动中的鱼在汹涌波浪中仍然保持既定路线。这一宽敞厢体、低阻力和高稳定性的奇迹组合意味着箱鲀是作为模型的首要选择，于是设计团队着手工作，在精心设计新车外形的时候采用了箱鲀不同寻常的形状，尤其是黄色的粒突箱鲀（Ostracion cubicus）。

2005年，奔驰发布了一款名为“仿生（Bionic）”的概念车，来自于受箱鲀启发的尝试。这款线条流畅外形酷炫的车乍一登场就大受瞩目。真的大受瞩目。人们都在谈论这辆车。甚至谈论了好几年。奔驰的奇怪“鱼车”被吹捧成对“仿生”概念的一项开创性应用，指的是直接从生物世界取材并以此为模型仿造。仿生学被广泛诠释为生物学、工程学和设计共同协作的力量的象征，也是一个应用范例，示范了从百万年进化历程所塑造出来的现成作品库中直接提取的效用。

梅赛德斯奔驰2005仿生学Bionic概念车。图片来源：Alex Wong/Getty Images

然而，奔驰可能完全误解了箱鲀。根据《英国皇家学会界面期刊》（Journal of the Royal Society Interface）的一篇论文，该公司完全搞错了这种鱼的基本流体动力学特性，所以自然地，也搞错了这款仿生概念车。

箱鲀游动悖论

这篇论文的作者是来自比利时安特卫普大学、荷兰格罗宁根大学和加州大学洛杉矶分校的研究者们，他们认为，箱鲀的体型在减阻方面不是特别突出。不仅如此，实际上这种体型在游动时会增加不稳定性，而不是减小。这否定了奔驰仿生驱动的概念车的整个理论前提。

研究者们通过成功解决“箱鲀游动悖论”指出了这个失误。这一悖论的矛盾之处就在于，受箱鲀体型影响而产生的水流流态，不符合栖息在珊瑚礁体系里的鱼类的日常需要。

线纹角箱鲀

箱鲀的身体形状由其骨质体甲塑成，被认为起到了内置稳定器的作用。如果你是一条箱鲀，推力使你以锐角向上游去，按照预想，围绕着体甲外缘凸出的脊棱快速打转的涡流会把你引回原来的路线。但是如果你受到的推力来自侧面呢？又有一个涡流会沿着你的盒状身躯而来，旋涡重新排列之后，一切都妥了。这就是我们所知的“涡升力”，这种机制让三角翼飞机的疯狂飞行动力学得以稳定下来，让飞机的攻角得以极大增加，同时不会引起壮观的灾难。

但是，你要是想凭自己的意志转向，这个机制就成问题了。转一丁点儿都没戏。转向，按照定义，就是偏离前进的路线——恰好就是这个动作，会被你那可爱的、方方的身体的流体动力学特点抵消。理论上来说，如果这个路线稳定机制够好的话，你会变成沿着轨道行驶的火车，必须沿着线性路线往前开，若要偏离的话就需要投入大量的能量。

敲可爱！图片来源：Flickr

这对于任何动物来说都不是一种现实的生存方式，更不要说任何鱼了——毕竟人家是在三维环境里生活的。再想想箱鲀在生态上和行为上的实际情况，就更不可思议了。箱鲀能在它们的珊瑚礁家园中调转方向，它们转得很频繁，而且转得真的、真的很好。箱鲀成天在错综复杂的珊瑚栖息地中飞掠，珊瑚枝桠间满是狭窄的裂缝和封闭空间，这要求它们必须具备高等级的机动性。乍见一丝危险，箱鲀就能立刻在极小的地方转身并且巧妙疾行到珊瑚的遮蔽之下。

悖论的核心就在于，我们实际看到的和我们在流体动力学数据中所看到的相矛盾。箱鲀似乎既是珊瑚礁里最敏捷的鱼，又像后备箱冰冷怀抱中的备胎一样不易转动。既是旋转木马又是奔腾难驯的野马。既是一架民航飞机又是一架战斗机(比如F-16军用机同样也是“非常不稳定”且机动性强)。箱鲀不可能同时需要高机动性又可以恒久反转向，但是证据就是这么奇怪地摆在我们眼前。

研究者们基于博物馆里保存的两种箱鲀标本（一种是长方形的黄色粒突箱鲀，也就是奔驰仿生车的原型；另一种则是三角形的三隅三棱箱鲀Rhinesomus triqueter）体甲的激光扫描测量值，为他们的水流箱实验创造了极为逼真的3D打印模型。这是自3D打印披萨饼问世以来最酷炫的3D打印技术应用之一。

三隅三棱箱鲀。图片来源：Becky A. Dayhuff/Wikipedia

研究团队用钢棒和平板把这些模型悬挂在水流箱中，然后测量装在上面的感应器所受到的力。这样他们就能确定有多少阻力是箱鲀的体甲所带来，还能确定水中作用于体甲上精确的力的平衡。利用水流箱实验和计算机模拟的组合，研究者们能测试是否是箱鲀体甲古怪的流体动力学特性使其重回正轨，正常驾驶。

所以，他们发现了什么？首先，原来被奔驰选来做为模型的非凡的“低阻力箱鲀”根本没有那么灵巧。相对于更传统的“鱼型”鱼，两种箱鲀无论是方形还是三角形，都展现出至少两倍以上的阻力。实际上，他们的减阻性能只有之前的最低估计的不到五分之一。虽然和人类泳者比的话，箱鲀划起水来仍然如冠军一般，但是和珊瑚礁中其他任何一条尼莫或者多莉比的话，箱鲀游起来就更像船后面傻乎乎拖着的大衣柜。

“与现有的模型比起来，拥有大圆角的车总是更好一点的，”研究者范·瓦瑟贝尔荷（Van Wassenbergh）说。但若汽车制造商真的想让阻力最小化，他说，他们最好模仿一些适应长距离、迁徙性游泳的“更像鱼的鱼”。

研究团队也没发现任何证据显示体甲适合用于自动促进稳定性。实际上，他们看到的与此相反。水流箱实验和模拟都显示箱鲀实际在水中极为不稳定，而且自然而然就会在游动时满世界左右摇动、上下摇摆、忽上忽下。体甲似乎有助于随水流方向的旋转，而不是自动修正方向。电脑模拟也无法找到螺旋流来促进“涡升力”，本以为它们能把箱鲀推回笔直路线。

据此看来，摇摇晃晃、东倒西歪的箱鲀做个陀螺似乎比做一辆车要合适啊。

灵活游动的秘密：不起眼的鳍

既然如此，那箱鲀到底是怎么还能游泳的？它不是应该终其一生绝望地随着水流和海浪被抛来抛去，悲惨地一头撞上珊瑚发出“梆”的巨响，像海底的风滚草一般滚来滚去吗？

还好箱鲀避免了风滚草一般的命运。图像来源：carlishio2/reddit.com

答案就在它小小的、看似不起眼的鳍上，特别是侧面和尾巴上的那些。很有可能是，箱鲀有计划地、协调地同步抖动它们的小鳍们，就干净利落地控制住了它们的七颠八倒的势头。这可以给运动提供稳定性，同时还能促进高机动性。箱鲀超灵巧的尾巴起到舵的作用，通过把尾巴向一侧弯曲，它能以惊人的敏捷度旋转身体，包括在近零的转弯半径下转出180度的弯来。要是这种能力被注入仿生汽车，全世界和我一样讨厌侧方停车的人无疑都要欢呼到嗓子哑了。一系列持续、微小、受控的游动动作，让它能够掌控极端不稳定的身体，这当然就与箱鲀在自然界中广为人知的传奇机动能力相符了。

这种卓越的泳姿在箱鲀栖息的热带珊瑚礁里是很容易看到的，我自己也有幸多次目睹。我还是动物学研究生的时候就住在可爱的夏威夷的欧胡岛上，研究这些奇怪小鱼是我博士论文研究的一部分，我常常在珊瑚礁上遇到它们。在这里，较为常见的箱鲀是米点箱鲀（Ostracion meleagris），这种箱鲀在热带印度洋和太平洋海域的浅礁中广泛分布。

作者本人cos箱鲀。图片来源：杰克·比勒

了不起的演化权衡

奔驰和箱鲀游动悖论的故事不应该被看作是教导我们要“三思而后行”的教训，或者对于仿生学的谴责（仿生学在过去十年盛行，从无人机到风力涡轮机叶片增效都受此启发）。相反，这个故事阐明了演化中做出权衡和生理限制的重要性。生灵们受制于物理和化学定律，每个演化策略都伴随着难以避免的缺点和下游效应。比如，鸟类轻盈的骨骼有助其飞行，但是它们没有了祖先更厚实的体型所具备的载重力。箱鲀游动悖论之所以被视作悖论，本质上是因为它涉及了对于权衡概念的严重违背，产生了一种“鱼与熊掌兼得”的适应情况。人们以为箱鲀是稳定性和机动性兼得的大师，哪怕这两种技能是要彼此牺牲彼此矛盾的。对箱鲀游动能力和流体动力学才能的美好幻想虽然吸引了仿生学工程团队，但好过头以致于不可能是真的。

事实上，讽刺的是，箱鲀做了我们有史以来从鱼类中观察到的最了不起的演化权衡，它抛弃了速度和力量，换来了一系列防御工具和无可比拟的敏捷。这些鱼穿着骨甲盔甲，装备了凶险有毒的皮肤分泌物，它们可以随意释放毒液，所以享受着有条不紊慢慢游的奢侈，不太会受到任何东西困扰太久。它们在演化历程中抛弃了鱼类运动的标志性特点，牺牲流线型体型和酷炫的速度换来了毒素、体刺、可膨胀的身体和板甲等琳琅满目各色其备的能力。这堆奇葩、这一创新而又比较近的分支（大约五千万年前才分出来的，在鱼类演化的宏大体系中只能算是婴儿了）开辟了一条演化轨迹，从根本上提供了做“鱼”的另类方式。

演化或许没能给奔驰所设想的充满雄心的仿生项目。除非你在路上行车的关注点在于躲避大鱼，不然箱鲀就不是爱车设计的最佳灵感来源。瓦瑟贝尔荷说箱鲀可能更适合作为水下机器人或者船艇的模型。箱鲀没有为缺乏路线修正机制而悲叹，因为它的不稳定性正是它生存于珊瑚礁里最重要的资本之一，使得它能随心所欲地快速转向。

箱鲀的体甲也许仍能在仿生学上派得上用场，不过基于我们现在对它不稳定性的了解，或许从旋转的、催吐的游乐园娱乐设施开始会比较好。也许，有一天，迪士尼乐园恶名远扬的“午餐拜拜”转转茶壶游乐设施会以箱鲀为原型，来个完全没人需要、完全没人想要的大改造呢。

这才是箱鲀合适的仿生项目吧。图像来源：rebloggy.com

一个AI

我跟你们说，明年的物种日历里就有粒突箱鲀……

嗯，果然还是一脸不屑呢。

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