图1所示。受海马尾巴的启发，计算机生成了方形棱柱和圆柱形原型的模型。

快速原型利用现代工程工具，如计算机建模和3d打印，建立新产品设计概念的物理模型。采用类似的技术，我们的生物学家和工程师团队建立了两个海马尾巴的3d打印模型，一个具有代表性的方形横截面，另一个具有假设的圆形横截面——假设是因为海马没有圆柱形的尾巴。为了解释为什么海马会进化出方形尾巴，我们比较了两种仿生原型在弯曲、扭曲、冲击和挤压方面的力学特性。

在弯曲和扭曲实验中，我们发现方形原型(代表真实的海马尾巴)优于圆柱形原型。方形棱镜结构使海马尾巴在抓握物体时接触表面积更大，如图1所示。它还可以让海马轻松地将尾巴恢复到中立的休息位置，与圆柱形原型相比，这一点很明显，圆柱形原型需要更有力的操作来重新调整其结构，经过广泛的弯曲和扭曲。

图2所示。方形和圆形原型(左)与没有重叠节点的实心环(右)在压缩载荷下的比较。

在冲击和破碎实验中，方棱柱结构也具有优势;它比圆柱形的更硬、更结实、更有弹性。当用橡胶槌击打时，其重叠的关节允许方形轮廓线性压缩，而圆形轮廓在冲击下扩展，变成椭圆形。这种形状的变化(从圆形到椭圆形)可能会导致结构内部出现不必要的损坏，而海马尾巴的方形几何形状可以减轻这种损坏。为了进一步研究结构，我们将两种原型与没有重叠关节的实心环进行了比较，如图2所示。有趣的是，海马尾巴的骨骼在类似尺寸的实心环表现出压缩破坏的确切位置进化出重叠的关节。因此，方形的几何形状加上重叠的关节可以保护海马的尾巴免受捕食者(如水鸟的嘴)施加的挤压力造成的伤害。

现在，有了更好的理解为什么海马可以进化成方形尾巴，我们正在开发新的机器人技术来模仿这些基本的设计原则。这些设备可以采用机器人操纵器、柔性盔甲或运动辅助假肢等形式，用于各种有前途的“人类”应用。

出版

生物力学。为什么海马的尾巴是方形的?
刘建军，刘建军，刘建军，刘建军。
2015年7月3日

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