东京工业大学发现大白鲨鳞片适应高速和低速两种运动，并成功建模计算流体速度

东京工业大学发现大白鲨鳞片适应高速和低速两种运动，并成功建模计算流体速度

东京工业大学研究团队最新研究发现，大白鲨的鳞片能够适应从高速到低速的各种游泳速度。通过X射线CT扫描技术，研究团队详细测量了大白鲨盾鳞的形状，并设计了一种通过流体力学计算鲨鱼最佳游速的方法。这一发现不仅有助于理解大白鲨的游泳特性，还可能为工程设计提供新的思路。

东京工业大学工学院机械系的佐山将太朗（研究当时为博士生）和田中博人副教授等组成的研究团队发表研究成果称，大白鲨的鳞片适应从高速到低速的各种游速。研究团队从大白鲨全身的17个位置提取了表皮，并使用X射线CT详细测量了盾鳞（鲨鱼和鳐鱼等软骨鱼类的硬鳞）的形状。通过计算盾鳞的大突起和小突起之间的间隔，研究团队设计了一种通过流体力学推算鲨鱼最佳游速的方法。通过对古代巨型鲨鱼——巨齿鲨的化石鳞片和推测的全长试算，发现巨齿鲨虽体型巨大，但速度与大白鲨没有显著差异。本研究是与岛津制作所的夏原正仁特任部长、国立科学博物馆的篠原现人首席研究员、拓殖大学的前田将辉副教授共同完成的，研究成果于8月2日发表在国际学术期刊《Journal of the Royal Society Interface》上。

图1. 大白鲨全身图、表皮取样位置和使用X射线CT建模的盾鳞。（供图：东京工业大学）

鲨鱼身上覆盖着被称为盾鳞的坚硬鳞片，洄游性鲨鱼的盾鳞有从头部延伸至尾部的突起。这些突起被认为是能够减少物体表面湍流边界层摩擦阻力的肋片（物体表面微小突起阵列的集合）的灵感来源。

意外的是，迄今为止盾鳞作为肋片的流体动力学尺寸并未得到研究，因此也不清楚盾鳞是否真的减少了鲨鱼游泳时的流体阻力。此外，尽管大白鲨具有很高的知名度，但其标本和生态数据却很少，虽然已知大白鲨的盾鳞中央有一个高突起（大突起），两侧有低突起（小突起），但这种组合的功能此前也未能明确。

此次研究团队从国立科学博物馆所藏大白鲨标本（体长3.16米，体重320千克）采集了17处表皮，并用高分辨率X射线CT进行了三维建模。

研究人员根据盾鳞的大小突起之间的间距，设计了一种从流体动力学角度计算鲨鱼最佳游速的方法。研究人员将盾鳞的突起视为肋片，根据盾鳞距身体前端的距离和突起之间的间距，计算了可以最大限度降低流体摩擦阻力的最佳游速。结果发现，相邻的大小突起适应5～7米/秒的游速，而大突起之间的较大间距适应2～3米/秒的游速。该数值与最近记录的野生大白鲨的最大瞬时游速和长距离游速接近，这表明左右两侧的小突起适合高速游动，中间的大突起适合低速游动。

利用该计算公式，可以根据盾鳞的突起形状和总长度，按照流体动力学推算出古代鲨鱼的游度，并有望推动鲨鱼的生态和进化研究。

此外，研究团队还认为大小突起交替排列的肋片模型，在高速和低速条件下均能减少阻力。这种模型可应用于车辆、船舶和飞机等大速度范围的适用肋片的开发。

田中副教授表示：“本研究使用的大白鲨标本曾于2016年在国立科学博物馆的‘海洋猎人展’上展出过。同年秋天，该标本被转移到冲绳美丽岛财团综合研究所（Okinawa Churashima Foundation Research Institute），为在美丽海水族馆做展出准备时,需要去除福尔马林。当时合著者筱原现人博士（国立科学博物馆首席研究员）邀请我利用这次宝贵的机会对大白鲨进行全身形态测量，而我提出了皮肤表面形态取样的建议，由此开始了本次研究。我一直希望能够研究生物体表对减少流体阻力的影响，所以这次机会对我来说十分珍贵。”

【文章来源】
本文原文来自日本《科学新闻》