人類曾經照著箱魨設計了一款車，但好像完全誤解了箱魨……

作者：Jake Buehler

翻譯：球球

編輯：Ent

上世紀九十年代中期，賓士公司想要設計一款車。

不過不僅僅是隨便設計一款，也不僅僅是隨便用哪條設計路線。賓士追求的是設計一款符合空氣動力學原理，同時又具備安全、高效和操作靈活等特點的車。賓士決定把目光投向自然界，希望從中尋找靈感。

在一番搜尋之後，賓士注意到了箱魨，一種小小的、熱帶珊瑚礁魚類，想要以它為模型。和地球上別的長鰭的動物不同，箱魨被一個方形或三角形的、輕盈的、堅硬的骨質外殼（稱為體甲）完全包裹起來。體甲完全由無數更小的、融為一體的石狀板衍生而來，看起來就像被美杜莎石化了的蜂巢。

粒突箱魨。（你瞅啥？）圖片來源：zsispeo/Flickr

工程師特別對箱魨的體甲和形狀感興趣，他們認為這種體甲及其形狀具有卓越的流體動力學特性。箱魨的身體，雖然是個塊狀的、寬寬的、又帶有圓角的形狀（和汽車正好相似呢），但據稱有格外低的阻力。此外，體甲還被認為具有獨特的、內在的、自動修正的穩定屬性，這種屬性可以引導水流，使遊動中的魚在洶湧波浪中仍然保持既定路線。這一寬敞廂體、低阻力和高穩定性的奇蹟組合意味著箱魨是作為模型的首要選擇，於是設計團隊著手工作，在精心設計新車外形的時候採用了箱魨不同尋常的形狀，尤其是黃色的粒突箱魨（Ostracion cubicus）。

2005年，賓士發布了一款名為「仿生（Bionic）」的概念車，來自於受箱魨啟發的嘗試。這款線條流暢外形酷炫的車乍一登場就大受矚目。真的大受矚目。人們都在談論這輛車。甚至談論了好幾年。賓士的奇怪「魚車」被吹捧成對「仿生」概念的一項開創性應用，指的是直接從生物世界取材並以此為模型仿造。仿生學被廣泛詮釋為生物學、工程學和設計共同協作的力量的象徵，也是一個應用範例，示範了從百萬年進化歷程所塑造出來的現成作品庫中直接提取的效用。

梅賽德斯賓士2005仿生學Bionic概念車。圖片來源：Alex Wong/Getty Images

然而，賓士可能完全誤解了箱魨。根據《英國皇家學會界面期刊》（Journal of the Royal Society Interface）的一篇論文，該公司完全搞錯了這種魚的基本流體動力學特性，所以自然地，也搞錯了這款仿生概念車。

箱魨遊動悖論

這篇論文的作者是來自比利時安特衛普大學、荷蘭格羅寧根大學和加州大學洛杉磯分校的研究者們，他們認為，箱魨的體型在減阻方面不是特別突出。不僅如此，實際上這種體型在遊動時會增加不穩定性，而不是減小。這否定了賓士仿生驅動的概念車的整個理論前提。

研究者們通過成功解決「箱魨遊動悖論」指出了這個失誤。這一悖論的矛盾之處就在於，受箱魨體型影響而產生的水流流態，不符合棲息在珊瑚礁體系里的魚類的日常需要。

線紋角箱魨

箱魨的身體形狀由其骨質體甲塑成，被認為起到了內置穩定器的作用。如果你是一條箱魨，推力使你以銳角向上游去，按照預想，圍繞著體甲外緣凸出的脊棱快速打轉的渦流會把你引回原來的路線。但是如果你受到的推力來自側面呢？又有一個渦流會沿著你的盒狀身軀而來，旋渦重新排列之後，一切都妥了。這就是我們所知的「渦升力」，這種機制讓三角翼飛機的瘋狂飛行動力學得以穩定下來，讓飛機的攻角得以極大增加，同時不會引起壯觀的災難。

但是，你要是想憑自己的意志轉向，這個機制就成問題了。轉一丁點兒都沒戲。轉向，按照定義，就是偏離前進的路線——恰好就是這個動作，會被你那可愛的、方方的身體的流體動力學特點抵消。理論上來說，如果這個路線穩定機制夠好的話，你會變成沿著軌道行駛的火車，必須沿著線性路線往前開，若要偏離的話就需要投入大量的能量。

敲可愛！圖片來源：Flickr

這對於任何動物來說都不是一種現實的生存方式，更不要說任何魚了——畢竟人家是在三維環境里生活的。再想想箱魨在生態上和行為上的實際情況，就更不可思議了。箱魨能在它們的珊瑚礁家園中調轉方向，它們轉得很頻繁，而且轉得真的、真的很好。箱魨成天在錯綜複雜的珊瑚棲息地中飛掠，珊瑚枝椏間滿是狹窄的裂縫和封閉空間，這要求它們必須具備高等級的機動性。乍見一絲危險，箱魨就能立刻在極小的地方轉身並且巧妙疾行到珊瑚的遮蔽之下。

悖論的核心就在於，我們實際看到的和我們在流體動力學數據中所看到的相矛盾。箱魨似乎既是珊瑚礁里最敏捷的魚，又像後備箱冰冷懷抱中的備胎一樣不易轉動。既是旋轉木馬又是奔騰難馴的野馬。既是一架民航飛機又是一架戰鬥機(比如F-16軍用機同樣也是「非常不穩定」且機動性強)。箱魨不可能同時需要高機動性又可以恆久反轉向，但是證據就是這麼奇怪地擺在我們眼前。

研究者們基於博物館裡保存的兩種箱魨標本（一種是長方形的黃色粒突箱魨，也就是賓士仿生車的原型；另一種則是三角形的三隅三棱箱魨Rhinesomus triqueter）體甲的激光掃描測量值，為他們的水流箱實驗創造了極為逼真的3D列印模型。這是自3D列印披薩餅問世以來最酷炫的3D列印技術應用之一。

三隅三棱箱魨。圖片來源：Becky A. Dayhuff/Wikipedia

研究團隊用鋼棒和平板把這些模型懸掛在水流箱中，然後測量裝在上面的感應器所受到的力。這樣他們就能確定有多少阻力是箱魨的體甲所帶來，還能確定水中作用於體甲上精確的力的平衡。利用水流箱實驗和計算機模擬的組合，研究者們能測試是否是箱魨體甲古怪的流體動力學特性使其重回正軌，正常駕駛。

所以，他們發現了什麼？首先，原來被賓士選來做為模型的非凡的「低阻力箱魨」根本沒有那麼靈巧。相對於更傳統的「魚型」魚，兩種箱魨無論是方形還是三角形，都展現出至少兩倍以上的阻力。實際上，他們的減阻性能只有之前的最低估計的不到五分之一。雖然和人類泳者比的話，箱魨划起水來仍然如冠軍一般，但是和珊瑚礁中其他任何一條尼莫或者多莉比的話，箱魨游起來就更像船後面傻乎乎拖著的大衣櫃。

「與現有的模型比起來，擁有大圓角的車總是更好一點的，」研究者范·瓦瑟貝爾荷（Van Wassenbergh）說。但若汽車製造商真的想讓阻力最小化，他說，他們最好模仿一些適應長距離、遷徙性游泳的「更像魚的魚」。

研究團隊也沒發現任何證據顯示體甲適合用於自動促進穩定性。實際上，他們看到的與此相反。水流箱實驗和模擬都顯示箱魨實際在水中極為不穩定，而且自然而然就會在遊動時滿世界左右搖動、上下搖擺、忽上忽下。體甲似乎有助於隨水流方向的旋轉，而不是自動修正方向。電腦模擬也無法找到螺旋流來促進「渦升力」，本以為它們能把箱魨推回筆直路線。

據此看來，搖搖晃晃、東倒西歪的箱魨做個陀螺似乎比做一輛車要合適啊。

靈活遊動的秘密：不起眼的鰭

既然如此，那箱魨到底是怎麼還能游泳的？它不是應該終其一生絕望地隨著水流和海浪被拋來拋去，悲慘地一頭撞上珊瑚發出「梆」的巨響，像海底的風滾草一般滾來滾去嗎？

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還好箱魨避免了風滾草一般的命運。圖像來源：carlishio2/reddit.com

答案就在它小小的、看似不起眼的鰭上，特別是側面和尾巴上的那些。很有可能是，箱魨有計劃地、協調地同步抖動它們的小鰭們，就乾淨利落地控制住了它們的七顛八倒的勢頭。這可以給運動提供穩定性，同時還能促進高機動性。箱魨超靈巧的尾巴起到舵的作用，通過把尾巴向一側彎曲，它能以驚人的敏捷度旋轉身體，包括在近零的轉彎半徑下轉出180度的彎來。要是這種能力被注入仿生汽車，全世界和我一樣討厭側方停車的人無疑都要歡呼到嗓子啞了。一系列持續、微小、受控的遊動動作，讓它能夠掌控極端不穩定的身體，這當然就與箱魨在自然界中廣為人知的傳奇機動能力相符了。

這種卓越的泳姿在箱魨棲息的熱帶珊瑚礁里是很容易看到的，我自己也有幸多次目睹。我還是動物學研究生的時候就住在可愛的夏威夷的歐胡島上，研究這些奇怪小魚是我博士論文研究的一部分，我常常在珊瑚礁上遇到它們。在這裡，較為常見的箱魨是米點箱魨（Ostracion meleagris），這種箱魨在熱帶印度洋和太平洋海域的淺礁中廣泛分布。

作者本人cos箱魨。圖片來源：傑克·比勒

了不起的演化權衡

賓士和箱魨遊動悖論的故事不應該被看作是教導我們要「三思而後行」的教訓，或者對於仿生學的譴責（仿生學在過去十年盛行，從無人機到風力渦輪機葉片增效都受此啟發）。相反，這個故事闡明了演化中做出權衡和生理限制的重要性。生靈們受制於物理和化學定律，每個演化策略都伴隨著難以避免的缺點和下游效應。比如，鳥類輕盈的骨骼有助其飛行，但是它們沒有了祖先更厚實的體型所具備的載重力。箱魨遊動悖論之所以被視作悖論，本質上是因為它涉及了對於權衡概念的嚴重違背，產生了一種「魚與熊掌兼得」的適應情況。人們以為箱魨是穩定性和機動性兼得的大師，哪怕這兩種技能是要彼此犧牲彼此矛盾的。對箱魨遊動能力和流體動力學才能的美好幻想雖然吸引了仿生學工程團隊，但好過頭以致於不可能是真的。

事實上，諷刺的是，箱魨做了我們有史以來從魚類中觀察到的最了不起的演化權衡，它拋棄了速度和力量，換來了一系列防禦工具和無可比擬的敏捷。這些魚穿著骨甲盔甲，裝備了兇險有毒的皮膚分泌物，它們可以隨意釋放毒液，所以享受著有條不紊慢慢游的奢侈，不太會受到任何東西困擾太久。它們在演化歷程中拋棄了魚類運動的標誌性特點，犧牲流線型體型和酷炫的速度換來了毒素、體刺、可膨脹的身體和板甲等琳琅滿目各色其備的能力。這堆奇葩、這一創新而又比較近的分支（大約五千萬年前才分出來的，在魚類演化的宏大體系中只能算是嬰兒了）開闢了一條演化軌跡，從根本上提供了做「魚」的另類方式。

演化或許沒能給賓士所設想的充滿雄心的仿生項目。除非你在路上行車的關注點在於躲避大魚，不然箱魨就不是愛車設計的最佳靈感來源。瓦瑟貝爾荷說箱魨可能更適合作為水下機器人或者船艇的模型。箱魨沒有為缺乏路線修正機制而悲嘆，因為它的不穩定性正是它生存於珊瑚礁里最重要的資本之一，使得它能隨心所欲地快速轉向。

箱魨的體甲也許仍能在仿生學上派得上用場，不過基於我們現在對它不穩定性的了解，或許從旋轉的、催吐的遊樂園娛樂設施開始會比較好。也許，有一天，迪士尼樂園惡名遠揚的「午餐拜拜」轉轉茶壺遊樂設施會以箱魨為原型，來個完全沒人需要、完全沒人想要的大改造呢。

這才是箱魨合適的仿生項目吧。圖像來源：rebloggy.com

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