科学家利用超级计算机发现涡环是海豚高速游动的关键因素

七十年来，这个问题悬而未决。1936年，英国动物学家詹姆斯·格雷提出了一个令人头疼的计算结论：按照已知的肌肉力量和水的阻力，海豚根本不可能游到它们实际达到的速度。

这个矛盾被称为"格雷悖论"，此后几十年里，科学家们提出了各种解释，包括海豚皮肤具有神奇的减阻特性、体内存在特殊的流体控制机制等，但没有一个得到确切的实证支持。

2026年，日本大阪大学的研究团队用一台超级计算机，终于把这道难题解开了。相关论文已发表于物理学顶级期刊《物理评论流体》。

答案藏在那些"看不见的圆圈"里

研究的核心发现，可以用一个直观的画面来理解：每当海豚用力拍打尾鳍，水中就会形成一个巨大的、圆环状的旋转水体，就像吐烟圈一样，向后推送，驱动海豚身体向前。

这种结构，在流体力学里叫做"涡环"。

游泳的海豚产生的漩涡层次结构。图片来源：本宥裕太郎

大阪大学团队通过大规模数值模拟，将海豚游动时产生的全部水流分解为不同尺度的漩涡层级：有体型巨大、能量充沛的大涡环，也有无数细小、杂乱的小涡旋。这些结构在现实水域中相互交叠，传统实验手段根本无法将它们一一分离出来。超级计算机的价值正在于此，它可以把每一个时刻、每一个空间位置的流场都精确重现，然后逐层剥开，看清楚哪个成分贡献了推力，哪个只是"噪音"。

结论出乎很多人的意料，也让问题变得异常清晰：真正让海豚向前跑的，只有那些最大的涡环。

研究第一作者本居雄太郎解释说，海豚尾巴的摆动会产生强烈的大尺度涡环，这些涡环向后推动水流并产生推力，随后这些大涡旋通过"能量级联"过程逐渐分裂为更小的漩涡。这些小涡旋数量庞大，但对海豚向前游动的贡献却微乎其微。

换句话说，海豚不是靠"搅乱"整片水域来获得速度的，它用一种出奇精准的方式，把力集中在最有效的地方。

这个发现也同时终结了"格雷悖论"，答案不在皮肤，而在流体力学本身。海豚的肌肉力量完全足够，只要知道如何把这股力量转化为正确形状的水流。

从海豚到机器，这项研究能做什么

这项研究的意义不只停留在解谜层面，它更像是一张工程设计的参考图。

水下无人潜航器（UUV）是当前各国军事和科研领域高度关注的方向，尤其在深海侦察、海底基础设施维护和海洋科考中需求日益迫切。现有的螺旋桨推进器在噪声控制、能效和机动性方面仍有明显短板，而海豚这套"大涡环推进"机制恰恰在这三个维度上都表现出色。低噪声、高能效、快速响应，正是工程师梦寐以求的组合。

大阪大学的研究提供了一个关键的方法论突破：通过数值模拟把生物推进机制分解为明确的物理成分，工程师就可以有的放矢地从中提取"有用的部分"加以仿生设计，而不是盲目地复制整个生物形态。

当然，从实验室模拟到实际工程应用，中间还有相当长的路要走。这项研究本身聚焦于流体力学机制的揭示，并未给出具体的工程方案，而仿生推进器的材料、控制系统和实际制造工艺都面临各自的挑战。

不过，找到正确的问题，往往是解决问题最重要的那一步。海豚用了数千万年的演化找到了这套方法，超级计算机用了几次模拟就看清楚了它的物理本质。接下来，轮到工程师了。