猫猫狗狗的尾巴大家可能见得多了，但你知道，海马的尾巴长什么样子吗？
左图：吻海马（Hippocampus reidi）骨骼的显微CT图像，其中品红色标示的是脊椎。右图：海马尾部骨骼的横切面，红黄蓝绿4种颜色标示4个L型骨板。比例尺：左：10mm；右：2mm。图片来源：研究论文
一如它们在鱼类中堪称奇葩的长相，海马也有着与大多数动物不同的尾巴结构——它们尾巴的横截面是方形的。4个一组的L型骨板环绕成方形的尾部形态，保护着中间的脊椎。跟圆形的比起来，这样方形截面的尾巴有什么特别？在最新一期的《科学》（Science）杂志上，美国克莱门森大学的迈克尔·波特（Michael M. Porter）及其团队破解了其中奥秘[1]。
“我是在加州大学圣迭戈分校的团队中开始海马研究的，当时我所在的团队研究的是一系列具备装甲功能的生物材料——而海马恰恰满身‘装甲’，所以我们起初是对它的骨骼进行研究。”波特对科学人说，“有了一定了解后，我开始对它的尾部更感兴趣。”据他介绍，在整个动物界中，只有海马、海龙等极少数类群演化出了方形的尾巴。而他们的研究发现，这样的尾部结构能帮助海马更好地抵抗外界的挤压和扭曲，并提高海马尾巴的抓握能力。
我是一只海马，我有一条犀利的方尾巴。图片来源：Michael M. Porter/Clemson University
首先，波特对海马尾部的弯曲能力及骨板结构进行了观察。构成海马尾巴的骨板越靠近尾侧越小，使海马可以把它的尾巴平滑地弯曲成一个对数螺线，在近尾尖处达到最大的曲率。经过测量，波特发现海马的尾巴末端能向腹侧弯曲多达850°，而向背侧及两侧的弯曲程度也分别可达290°和570°。海马每片骨板的大小、倾斜角度及彼此交叠程度都能影响它弯曲的能力。
根据海马尾巴骨板的细节，波特3D打印出了海马的方尾巴模型，并同时也虚拟地构建了相应的圆尾模型加以对比。“3D打印使我们得以模仿自然界中存在的奇妙设计，也同时可以构建自然界尚未发现的全新模型，我们可以把这些模型互相比较，来为工程设计提供灵感，也对生物的一些演化历程给出解释。”
经过3D打印模型的对比，海马的方尾结构呈现出更好的抗压能力：在面对外界的冲击时，骨板能发生侧滑，从而吸收冲击力，更好地保护脊椎。在极限情况下，海马的方型骨板可以变形多达接近50%而不对脊柱造成永久伤害。
快速撞击对海马方尾模型（Square Prototype）和圆尾模型（Cylindrical Prototye）的形变影响测试（慢镜头）。视频来源：研究论文
在弯曲能力方面，方尾模型和圆尾模型相差不大，不过由于方尾模型提供了更大的横截面周长，从而扩大了与外界的接触面积，使得海马的尾巴在弯曲抓握时呈现出比圆尾更强的抓握能力。此外，圆尾模型的最大扭曲角度可达30°，而方尾模型只有约15°，这样相对较窄的扭曲范围也可以更好地保护海马抵抗外界扭曲力的伤害。
海马方尾模型和圆尾模型的弯曲、扭曲性能测试。视频来源：研究论文
“方形的尾巴是海蛾鱼科和海龙科的祖先的形态特点。这些鱼全身被骨骼装甲覆盖，可谓刚硬无匹。它们其中只有一些种类具备抓握能力，另一些则不具备。因为方形结构的抗压能力更强，我们猜测这样的结构更可能是适应护甲功能的性状，而非为了增加抓握能力。”波特的同事，形态演化学家多米尼克·阿德里安斯（Dominique Adriaens）说，“然而，结果显示方形的尾巴在抓握方面也有其力学优势，可以想象，这些鱼类的刚性骨板也可能向更灵巧的方向演化，额外形成了抓握功能。”
研究人员推测，方形尾巴可能更多是为了发挥保护作用，漫长的演化则也使得这样的结构具备了抓握上的优势。图片来源：Michael Porter/Clemson University
“当我们需要兼顾防御和抓握功能时，这种方形横截面的结构是更优越的设计。”波特说。他认为，这项研究将有助于机器人科技领域的革新。“海马的这一结构可以应用到机械臂的设计当中，这在工业、军事、医药领域都可能相当有用。在触手类或是蛇形机器人的设计中，这样的骨板结构既比传统的硬质结构更轻更灵活，也比软质结构更能抵抗压力。”此外，在石油和天然气的勘探采集、军事工业中的人体护甲设计、医疗中的假肢、支架等设计上，海马的方尾巴也能为研发人员提供很有价值的参考。（编辑：Calo）
参考文献：
- Porter et al., Why the seahorse tail is square，Science 349 (6243)
文章题图：研究论文
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