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(tāmen)给一只名叫 Rosi 的港(gǎng)海豹（海豹科、斑海豹属动物(dòngwù)）佩戴了不透光的眼罩和隔音的耳罩，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(mǐ)每秒的速度(sùdù)划出直线，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。

海豹用胡须追踪鱼的(de)轨迹 图片来源：heather beem

潜艇留下的痕迹(hénjì)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(huì)慢慢消失。这些水流痕迹模仿了鱼类游动留下的涡旋，像隐形的足迹，肉眼无法捕捉(bǔzhuō)。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)一个水下实验装置。实验者站在(zài)平台上，平台下方是(shì)水面，水下有一个潜水站，海豹佩戴眼罩(yǎnzhào)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，摄像机记录下 Rosi 的每(měi)一帧行动画面。Rosi 潜入水池，88 根胡子(húzi)展开，像天线般微微抖动。接着，它朝(cháo)水池中心游去，头部轻轻摆动，像是用胡子“嗅”着水流的低语。

令人难以置信的是，Rosi 在 326 次试验(shìyàn)中成功找到(zhǎodào)潜艇的次数为 298 次，成功率约 91.4%，远超(yuǎnchāo)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，还能跟着弯曲的涡旋(wōxuán)游动。

海豹的“追踪(zhuīzōng)神器”是什么？

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

答案是胡须(húxū)。海豹胡须的(de)毛囊周围有复杂的血窦（具体来说，它是一组充满血液的腔隙，位于毛囊的基部）和多种机械感受器，能感知(gǎnzhī)微弱的水流(shuǐliú)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 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(tīng)清朋友低声说话，但周围的车声、人声令你晕眩。同样地(dì)，海豹的胡须在水下面临(miànlín)的“背景噪音”就有类似(lèisì)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，最重要的是(shì)一种叫(jiào)“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(kuàimàn)程度）取决于流速、物体形状(xíngzhuàng)和大小。

理论上，当海豹游动时(shí)，水流经过胡须会形成小旋涡，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(jiù)像收音机(shōuyīnjī)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(zěnme)消除周围的干扰获取精准的信号？

高精确度的“水下雷达(léidá)”？

2010 年，科学家们对海豹胡须展开(zhǎnkāi)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(sùdù)从 0.323 米每秒到 0.550 米每秒。

科学家们从自然死亡的幼年海豹(hǎibào)和(hé)博物馆标本中取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(hǎibào)(hǎibào)和海狮就像“表兄弟”，生活方式和环境很像，但它们的胡须结构不太一样。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(yuánxíng)；而海狮的胡须是(shì)平滑的圆柱形，横截面近圆形，直径约 0.4 毫米。

港(gǎng)海豹（AB）和加利福尼亚海狮胡须（CD）的结构差异 图片(túpiàn)来源：文献[2]

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

实验(shíyàn)水槽 图片来源：伍兹霍尔海洋研究所

结果发现，在相同水流(shuǐliú)速度下，港海豹胡须的振动幅度比(bǐ)海狮胡须低(dī) 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(jīhū)不受水流涡旋(wōxuán)的干扰。这让海豹胡须能清晰捕捉水流速度低至 0.25 毫米(háomǐ)每秒(měimiǎo)的信号，将信噪比（是一个衡量信号质量的指标，定义为有用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(húxū)(húxū)、椭圆柱(tuǒyuánzhù)体和圆柱体时形成的涡流差异。波浪状胡须通过打乱涡流群，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(zhǐbù)，对海豹胡须的研究还在延伸。

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

人造胡须的形状和海豹胡须相近，但比(bǐ)真的海豹胡须粗 50 倍 图片(túpiàn)来源：heather beem

这些胡须(húxū)用柔性树脂制成(zhìchéng)，硬度与海豹胡须的角蛋白相仿，既坚韧又弹性十足。为了(le)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(yǐ) 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潜力。

仿生学通过模仿(mófǎng)自然界的精妙设计解决(jiějué)工程难题。海豹胡须的波浪状结构是亿万年进化的结果，兼顾抗振(kàngzhèn)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、低干扰的传感器，超越传统设备（如声呐）在浑浊(húnzhuó)水域的局限，有望将其应用于水下机器人、航空甚至(shènzhì)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，充满了泥沙和垃圾，传统的声呐“看不清路”。但这些胡须传感器却(què)像海豹一样，灵敏地“嗅(xiù)”到了一股微弱的水流(shuǐliú)——那是泄漏的油污在水里(shuǐlǐ)扩散的痕迹，速度只有每秒(měimiǎo) 0.5 毫米，比蜗牛爬还慢(màn)。机器人顺着水流，精准定位到漏油点，误差不到 10 厘米，帮(bāng)工程师迅速封堵污染，保护了海洋生态。

在医院里，医生们用微型波浪状传感器，模仿胡须的抗振和感知能力，将其装在微流控(wēiliúkòng)设备(shèbèi)上，可以(kěyǐ)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(xiézhù)医生发现血液里异常的细微信号，比如早期癌症的线索。它们安静又精准，就像海豹在水下“听”鱼儿的低语，给了患者(huànzhě)更早的治疗机会。

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

从(cóng)港口的“环保卫士”到医院(yīyuàn)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，我们期待着早日利用(lìyòng)这些动物世界的智慧改变生活。

作者(zuòzhě)丨苏澄宇 科学创作者