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(yǎnzhào)和隔音(géyīn)的耳罩，在暂时屏蔽其视觉和听觉信号的情况下，测试它能否跟上一条(yītiáo)小型(xiǎoxíng)潜艇的轨迹。潜艇由(yóu)螺旋桨驱动，像一条机械鱼，在水池中以 2 米每秒的速度划出直线(zhíxiàn)，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。

海豹用胡须追踪鱼的轨迹 图片(túpiàn)来源：heather beem

潜艇留下的(de)痕迹只有狭窄的水流(shuǐliú)通道，并且超过 20 秒后(hòu)，水流的轨迹就会慢慢消失。这些水流痕迹模仿了(le)鱼类游动留下的涡旋，像隐形的足迹，肉眼无法(wúfǎ)捕捉。潜艇运行固定距离后，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）图中展示了(le)一个(yígè)水下实验装置。实验者站在平台上，平台下方是水面，水下有一个潜水站，海豹(hǎibào)佩戴眼罩和耳机以隔离视觉和听觉干扰。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(miǎo)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(jìlù)下 Rosi 的每一帧行动画面。Rosi 潜入水池，88 根胡子展开，像天线般微微抖动。接着，它朝水池中心游(yóu)去，头部轻轻摆动(bǎidòng)，像是用胡子“嗅”着水流的低语。

令人难以置信的(de)是，Rosi 在 326 次试验中成功找到潜艇的次数(cìshù)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，不仅能追踪直线痕迹，还能跟着弯曲(wānqū)的涡旋游动。

海豹的“追踪神器”是(shì)什么？

目标物的轨迹(guǐjì)如此狭窄、痕迹(hénjì)停留时间如此短暂，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(de)毛囊周围有复杂(fùzá)的血窦（具体来说，它是一组充满血液的腔隙，位于毛囊的基部）和多种机械(jīxiè)感受器，能感知微弱的水流信号，将机械信号转为电信号(diànxìnhào)，传递到大脑的体感皮层。而它们的 88 根胡须则像“神经网络”，能够(nénggòu)整合信号，绘制出水流的“动态地图”，就像一个精密的水下雷达。

海豹(hǎibào) 图片来源：Earth 网

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

水下(shuǐxià)的背景噪音不仅来源于水中悬浮颗粒的碰撞，还有水中的杂乱水流，最重要(zhòngyào)的是一种叫“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(shí)，流体会(huì)因为物体的阻挡而分裂，形成周期性的涡旋。这些涡旋产生不均匀的压力(yālì)，推着物体振动。振动的频率（晃动的快慢程度）取决于流速、物体形状(xíngzhuàng)和大小。

理论上，当海豹游动时，水流经过胡须会形成小旋涡(xuánwō)，这些旋涡会推着胡须来回(láihuí)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(děng)微弱信号。

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

高精确度(jīngquèdù)的“水下雷达”？

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

科学家们从自然死亡的幼年海豹和(hé)博物馆标本中取来三根港(gǎng)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(shēnghuó)方式和环境很像，但它们的胡须(húxū)结构(jiégòu)不太一样(yīyàng)。海豹的胡须有独特(dútè)的波浪状结构，每根胡须有 10~12 个波峰波谷，波长 1.5~2 毫米，横截面为椭圆形；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(hǎibào)（AB）和加利福尼亚海狮胡须（CD）的结构差异 图片来源(láiyuán)：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(xiàng)个超级灵敏的“地震仪”，能够测量水流对胡须的推力。为了(wèile)使海豹胡须周围的涡流可视化，科学家在水槽中加入了微小的塑料颗粒，这些(zhèxiē)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(ěr)海洋研究所

结果发现，在相同水流速度(sùdù)下，港海豹(hǎibào)胡须的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(wōxuán)的干扰(gānrǎo)。这让海豹胡须能清晰捕捉水流速度低至(dīzhì) 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(yǒuyòng)信号功率与背景噪声功率的比值，通常用分贝（dB）表示。）提高了 2 倍。

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

故事并未止步，对海豹胡须(húxū)的研究还在延伸。

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

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

这些(zhèxiē)胡须用柔性树脂(shùzhī)制成，硬度与海豹胡须的角蛋白相仿，既坚韧又弹性十足。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(jiālìfúníyà)海狮的胡须。当然，人工海豹胡须不负期待，它们以 60%~80%的振动抑制(yìzhì)和 1.8~2.2 倍(bèi)的信噪比，证明了海豹胡须的工程潜力。

仿生学通过模仿自然界的精妙设计解决工程难题。海豹胡须的波浪状结构是亿万年进化(jìnhuà)的结果，兼顾(jiāngù)抗振和信号感知(gǎnzhī)。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（如声呐）在浑浊水域(shuǐyù)的局限，有望将其应用于水下机器人、航空甚至医疗领域。

想象(xiǎngxiàng)一下，一台水下机器人，装着(zhuāngzhe)波浪状的(de)“人工(réngōng)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，灵敏地“嗅”到了一股微弱的水流——那是泄漏的油污在水里扩散的痕迹，速度只有每秒 0.5 毫米，比蜗牛爬还慢。机器人顺着水流，精准(jīngzhǔn)定位到漏油点，误差不到 10 厘米，帮工程师迅速封堵污染(wūrǎn)，保护了海洋(hǎiyáng)生态。

在(zài)医院里(lǐ)，医生们用(yòng)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(xiànsuǒ)。它们安静又精准，就像海豹在水下“听”鱼儿的低语，给了患者更早的治疗机会。

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

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

作者(zuòzhě)丨苏澄宇 科学创作者