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(xué)院的Grgur Tokic和Dick Yue在PLOS計算生物學(xué)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(xué)的理解或?qū)τ斡玖黧w力學(xué)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(jié)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(xué)模型，該模型將肌肉生物力學(xué)與游泳流體力學(xué)相結(jié)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(zhuǎn)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(nèi)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(chǔ)物理學(xué)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?qū)φ鎸嵉聂~類(例如金槍魚或鮭魚)的游泳能量學(xué)建模。這項工作的潛在實際應(yīng)用可能包括開發(fā)具有前所未有效率的人造仿生游泳設(shè)備。