這種奇怪的動物，尾巴竟然是方形的！

要說長得奇怪的魚，那得有海馬的一席之地。沒錯，海馬是一種魚，只是它的外形與一般魚類不太相同——尾鰭完全退化，脊椎則可以捲曲鉤住物體。

海馬依靠小而幾乎透明的魚鰭游泳 | nature video

脊椎可以捲曲鉤住物體 | GIPHY

海馬的尾巴結構也與大多數動物不同——它們尾巴的橫截面是方形的。四個一組的L型骨板環繞成方形的尾部形態，保護著中間的脊椎。可別小看了它，在整個動物界，只有海馬、海龍等極少數類群演化出了方形尾巴。這樣的尾巴不僅能提高海馬尾巴的抓握能力，而且能幫助它更好地抵抗外界的擠壓和扭曲。

左圖：吻海馬（

Hippocampus reidi）骨骼的顯微CT圖像，其中品紅色標示的是脊椎。右圖：海馬尾部骨骼的橫切面，紅黃藍綠4種顏色標示4個L型骨板。比例尺：左：10mm；右：2mm | Science

海馬方尾能捲曲850°

這個結論來自於《科學》（Science）上的一篇研究，美國克萊門森大學的邁克爾·波特（Michael M. Porter）及其團隊破解了海馬尾巴的奧秘。

起初，波特所在的團隊研究的是一系列具備裝甲功能的生物材料，而海馬的皮膚恰恰硬化成了滿身的「裝甲」。但在一定的了解之後，波特開始對海馬的尾部更感興趣。

海馬的方尾巴可不簡單 | Michael M. Porter/Clemson University

他對海馬尾部的骨板結構進行了觀察。構成海馬尾巴的骨板越靠近尾側越小，使海馬可以把它的尾巴平滑地彎曲成一個對數螺線，在近尾尖處達到最大的曲率。經過測量，波特發現海馬的尾巴末端能向腹側彎曲多達850°，而向背側及兩側的彎曲程度也分別可達290°和570°。海馬每片骨板的大小、傾斜角度及彼此交疊程度都能影響它彎曲的能力。

3D列印揭秘海馬的方形尾巴

利用3D列印，波特團隊更好地了解了海馬的方尾巴。

他們不僅根據海馬尾巴骨板的細節，3D列印出了海馬的方尾巴模型，同時也虛擬地構建了相應的圓尾模型加以對比。「3D列印使我們得以模仿自然界中存在的奇妙設計，也同時可以構建自然界尚未發現的全新模型。我們可以把這些模型互相比較，來為工程設計提供靈感，也對生物的一些演化歷程給出解釋。」波特說。

構建模型能更好地了解海馬尾巴 | Science

經過3D列印模型的對比，海馬的方尾結構呈現出更好的抗壓能力：在面對外界的衝擊時，骨板能發生側滑，從而吸收衝擊力，更好地保護脊椎。在極限情況下，海馬的方型骨板可以變形多達接近50%而不對脊柱造成永久傷害。

快速撞擊對海馬方尾模型（Square Prototype）和圓尾模型（Cylindrical Prototye）的形變影響測試（慢鏡頭）| 研究論文

在彎曲能力方面，方尾模型和圓尾模型相差不大。不過，由於方尾模型提供了更大的橫截面周長，從而擴大了與外界的接觸面積，使得海馬的尾巴在彎曲抓握時呈現出比圓尾更強的抓握能力。此外，圓尾模型的最大扭曲角度可達30°，而方尾模型只有約15°，這樣相對較窄的扭曲範圍也可以更好地保護海馬抵抗外界扭曲力的傷害。

海馬方尾模型和圓尾模型的彎曲、扭曲性能測試 | 研究論文

「方形的尾巴是海蛾魚科和海龍科的祖先的形態特點。這些魚全身被骨骼裝甲覆蓋，可謂剛硬無匹。它們其中只有一些種類具備抓握能力，另一些則不具備。因為方形結構的抗壓能力更強，我們猜測這樣的結構更可能是適應護甲功能的性狀，而非為了增加抓握能力。」波特的同事、形態演化學家多米尼克·阿德里安斯（Dominique Adriaens）說，「然而，結果顯示方形的尾巴在抓握方面也有其力學優勢。可以想像，這些魚類的剛性骨板也可能向更靈巧的方向演化，額外形成了抓握功能。」

研究人員推測，方形尾巴可能更多是為了發揮保護作用，漫長的演化則也使得這樣的結構具備了抓握上的優勢 | Michael Porter/Clemson University

「當我們需要兼顧防禦和抓握功能時，這種方形橫截面的結構是更優越的設計。」波特說。他認為，這項研究有助於機器人科技領域的革新。「海馬的這一結構可以應用到機械臂的設計當中，這在工業、軍事、醫藥領域都可能相當有用。在觸手類或是蛇形機器人的設計中，這樣的骨板結構既比傳統的硬質結構更輕更靈活，也比軟質結構更能抵抗壓力。」

此外，在石油和天然氣的勘探採集、軍事工業中的人體護甲設計、醫療中的假肢、支架等設計上，海馬的方尾巴也能為研發人員提供很有價值的參考。

作者：Lucorta92

編輯：Calo，麥麥

參考文獻：

Porter et al., Why the seahorse tail is square，Science 349 (6243)

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