魚的模擬為游泳的能量成本提供了新的見解

一項新的計算分析表明，最大化游泳速度，同時最大程度地降低能源成本，取決于魚的肌肉動力與其大小，形狀和游泳運動影響其在水中運動的方式之間的最佳平衡。麻省理工學院的Grgur Tokic和Dick Yue在PLOS計算生物學中介紹了這些發(fā)現(xiàn)。

魚和其他生物(例如鮭魚和海豚)以起伏的方式游泳，從而能夠以較低的能源成本實現(xiàn)高速航行。最近對游泳過程中能量消耗的許多見解來自對魚類肌肉生物力學的理解或對游泳流體力學建模的進步-魚類如何根據(jù)其大小，形狀和游泳運動在水中運動。但是，很少有研究將兩者結合起來。

為了獲得更完整的圖像，Tokic和Yue使用了他們先前開發(fā)的數(shù)學模型，該模型將肌肉生物力學與游泳流體力學相結合。他們使用該模型對游泳過程中的能量消耗進行了廣泛的分析-從提供給肌肉的能量開始，跟蹤該能量如何轉換為有用的水動力推進器。

與以前的研究相比，新的分析表明，為了最大程度地減少給定體重的魚在給定距離內游泳的能量消耗，它不必以最大效率游泳，該效率是由肌肉產(chǎn)生的能量與消耗的能量來計算的。為了達到最大游泳速度，魚肉無需以最大功率進行操作。這些發(fā)現(xiàn)得到了對九個數(shù)量級大小的游泳生物的真實觀察。

岳說：“我們的發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的，但被基礎物理學的第一原理證實了。” “他們認為，通過優(yōu)化肌肉性能和水動力之間的平衡，可以顯著提高游泳的精力。”

雖然這項研究模擬了理想化的模型生物，但研究人員希望能夠對真實的魚類(例如金槍魚或鮭魚)的游泳能量學建模。這項工作的潛在實際應用可能包括開發(fā)具有前所未有效率的人造仿生游泳設備。