竞速“生命通道”，火箭军某部开展实战化卫勤比武

2001 年，科学家们精心设计了一个科学实验。他们给一只名叫 Rosi 的港海豹（海豹科、斑海豹属动物）佩戴了不透光的眼罩和隔音的耳罩，在暂时(zànshí)屏蔽其视觉和听觉(tīngjué)信号的情况下，测试它能否(néngfǒu)跟上(gēnshàng)一条(yītiáo)小型潜艇的轨迹。潜艇由螺旋桨驱动，像一条机械鱼，在水池中以 2 米每秒的速度划出(huàchū)直线，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。

海豹用胡须追踪鱼的轨迹(guǐjì) 图片来源：heather beem

潜艇留下的痕迹只有狭窄的水流通道，并且超过 20 秒后，水流的轨迹就会(huì)慢慢(mànmàn)消失。这些水流痕迹模仿了鱼类游动留下的涡旋，像隐形的足迹(zújì)，肉眼(ròuyǎn)无法捕捉。潜艇运行(yùnxíng)固定距离后，停在一个半圆周上，周长 12.57 米，Rosi 的任务是潜入水下，找到它。

图（a）图中(túzhōng)展示了一个水下实验装置。实验者站在平台上，平台下方是水面，水下有一个潜水(qiánshuǐ)站，海豹佩戴眼罩和(hé)耳机以隔离(gélí)视觉和听觉干扰。图（b）这一部分展示了海豹追踪运动的(de)序列图像，时间戳从 00.00 秒到 17.13 秒 图（c）展示了海豹追踪时的两种轨迹 图片来源：参考文献[3]

水池上方，摄像机记录下 Rosi 的每一帧行动画面。Rosi 潜入水池，88 根胡子展开，像天线般(bān)微微抖动。接着，它朝水池中心游去(qù)，头部(tóubù)轻轻摆动，像是用胡子“嗅”着水流的低语。

令人难以置信的是，Rosi 在 326 次(cì)试验中成功找到潜艇的次数为 298 次，成功率约(yuē) 91.4%，远超偶然概率的 13 次。并且，它追踪的距离可远达 180 米(mǐ)，不仅能追踪直线痕迹，还能跟着(gēnzhe)弯曲的涡旋游动。

海豹的“追踪神器(shénqì)”是什么？

目标物的轨迹如此狭窄(xiázhǎi)、痕迹停留时间(tíngliúshíjiān)如此短暂，海豹究竟拥有什么样的“追踪神器”呢？

答案是胡须。海豹胡须的毛囊周围有复杂的血窦（具体来说(jùtǐláishuō)，它是一组充满血液的腔隙，位于毛囊的基部）和多种机械感受器(gǎnshòuqì)，能感知微弱的水流信号(xìnhào)，将机械信号转为电信号，传递到大脑的体感皮层。而(ér)它们的 88 根胡须则像“神经网络”，能够整合信号，绘制(huìzhì)出水流的“动态地图”，就像一个精密的水下雷达。

海豹 图片来源：Earth 网(wǎng)

然而，水下的环境极为复杂，水下的“背景噪音”极大。想象你在一条喧闹的大街上，想听清朋友(péngyǒu)低声说话，但周围的车声(chēshēng)、人声令你晕眩(yūnxuàn)。同样地，海豹的胡须在水下面临的“背景噪音”就有(yǒu)类似的感觉。

水下的(de)背景噪音不仅来源于水中悬浮颗粒的碰撞(pèngzhuàng)，还有水中的杂乱水流，最重要(zhòngyào)的是一种(yīzhǒng)叫“涡激振动”（vortex-induced vibrations）的影响。涡激振动是流体力学的一种现象。当水流或空气以一定速度流过物体时，流体会因为物体的阻挡(zǔdǎng)而分裂，形成周期性的涡旋。这些涡旋产生不均匀的压力，推着物体振动。振动的频率（晃动的快慢程度(chéngdù)）取决于流速、物体形状和大小。

理论上，当海豹游动时(shí)，水流(shuǐliú)经过胡须(húxū)会形成小旋涡，这些旋涡会推着胡须来回晃动，产生的便是涡激振动。这种晃动就像收音机里的杂音，干扰胡须感知鱼类尾流等微弱信号。

因此，新的谜团浮现了：海豹的胡须是如何捕捉(bǔzhuō)这些微弱信号的？怎么消除周围(zhōuwéi)的干扰获取精准的信号？

高精确度(jīngquèdù)的“水下雷达”？

2010 年，科学家们(men)对海豹胡须展开了实验。他们搬出了一个旋转(xuánzhuǎn)流槽，像个巨大的旋转木马，直径 1.24 米，水深 20 厘米。水槽绕中心轴旋转，制造出稳定(wěndìng)的水流，速度从 0.323 米每秒到(dào) 0.550 米每秒。

科学家们从自然死亡的(de)幼年海豹和博物馆标本中取(zhōngqǔ)来三根港海豹胡须和三根加利福尼亚海狮胡须，长度相近。

虽然海豹和海狮就像“表兄弟”，生活方式和环境很像，但它们的胡须(húxū)结构不太(bùtài)一样(yīyàng)。海豹的胡须有独特的波浪状结构，每根胡须有 10~12 个(gè)波峰波谷，波长 1.5~2 毫米，横截面为椭圆形(yuánxíng)；而海狮的胡须是平滑的圆柱形，横截面近圆形，直径约 0.4 毫米。

港海豹（AB）和加利福尼亚海狮胡须(húxū)（CD）的(de)结构差异 图片来源：文献[2]

它们的胡须(húxū)被固定在一个压电传感器上，传感器像个超级灵敏的“地震仪”，能够(nénggòu)测量水流对胡须的推力(tuīlì)。为了使海豹胡须周围的涡流可视化，科学家在水槽(shuǐcáo)中加入了微小的塑料颗粒，这些颗粒会随着水流而移动。激光照射颗粒，便会形成图案。

实验水槽 图片来源：伍兹霍尔海洋研究所(yánjiūsuǒ)

结果(jiéguǒ)发现，在相同水流速度下，港海豹胡须的(de)振动幅度比海狮胡须低 6.2 倍，甚至在所有速度（指实验测试的水流速度范围，从 0.323 米/秒(miǎo)到 0.55 米/秒不等）下低 9.5 倍。海豹的波浪胡须就像装了“减震器”，几乎不受水流涡旋的干扰。这让海豹胡须能清晰捕捉水流速度低至 0.25 毫米每秒的信号，将信噪比（是一个衡量信号质量(zhìliàng)的指标，定义为有用(yòng)信号功率与背景噪声功率的比值，通常用分贝(fēnbèi)（dB）表示。）提高(tígāo)了 2 倍。

水流经过三种不同形状物体——港海豹胡须、椭圆柱体(yuánzhùtǐ)和圆柱体时形成的涡流差异。波浪状(bōlàngzhuàng)胡须通过打乱涡流群(qún)，让涡流形成更远，减少了振动 图片来源：参考文献[3]

故事并未止步，对海豹胡须的研究(yánjiū)还在延伸。

2015 年，麻省理工学院(máshěnglǐgōngxuéyuàn)（MIT）的工程师们用 3D 打印技术复制了海豹胡须的波浪状结构(jiégòu)，打造出“人工海豹胡子”传感器(chuángǎnqì)。

人造胡须(húxū)的形状和海豹(hǎibào)胡须相近，但比真的海豹胡须粗 50 倍 图片来源：heather beem

这些胡须用柔性树脂制成，硬度(yìngdù)与海豹胡须的(de)角蛋白相仿，既坚韧又弹性十足(shízú)。为了对比，他们还打印了平滑的圆柱形胡须，模仿加利福尼亚海狮的胡须。当然，人工海豹胡须不负(bùfù)期待，它们以 60%~80%的振动抑制和 1.8~2.2 倍的信噪比，证明了海豹胡须的工程(gōngchéng)潜力。

仿生学通过模仿自然界的精妙设计解决工程难题。海豹胡须的波浪状(bōlàngzhuàng)结构是亿万年进化的结果，兼顾抗振和信号感知。模仿海豹胡须打造出复制品有助于开发出高灵敏(gāolíngmǐn)、低干扰的传感器，超越传统设备（如(rú)声呐）在浑浊水域的局限，有望将其应用(yìngyòng)于水下机器人(jīqìrén)、航空甚至医疗领域。

想象一下，一台水下机器人，装着波浪状的“人工海豹胡子”，在浑浊的港口里穿梭。港口的水像一锅混汤，充满了(le)泥沙和垃圾，传统的声呐“看不清路”。但这些胡须传感器却像海豹一样(yīyàng)，灵敏地“嗅”到了一股微弱的水流(shuǐliú)——那是(shì)泄漏的油污(yóuwū)在水里扩散的痕迹，速度只有每秒 0.5 毫米，比蜗牛(wōniú)爬还慢。机器人顺着水流，精准定位到漏油点，误差不到(búdào) 10 厘米，帮工程师迅速封堵污染，保护了海洋生态。

在医院里(lǐ)，医生们用微型波浪状传感器，模仿胡须的(de)抗振和感知能力，将其装在微流控设备(shèbèi)上，可以检测血液或体液的流动变化。这些传感器能捕捉到 1 微米的微小扰动，协助医生发现血液里异常的细微信号，比如早期癌症的线索。它们安静又(yòu)精准，就像海豹在水下(shuǐxià)“听”鱼儿的低语，给了患者更早的治疗机会。

这些(zhèxiē)应用只是冰山一角。看似科幻，也许在不久(bùjiǔ)的将来就能实现，我们拭目以待。

从港口的(de)“环保卫士”到医院(yīyuàn)的“健康侦探”，波浪状的海豹胡须(húxū)像一把万能钥匙，指引着人类打开了无数扇科技之门，我们期待着早日利用这些动物世界的智慧改变生活。

作者丨(gǔn)苏澄宇 科学创作者