精密的水下雷达竟然就长在海豹脸上，科学家直呼“真香”！

2001 年，科学家(kēxuéjiā)们精心设计了(le)一个科学实验。他们给一只名叫 Rosi 的港海豹（海豹科、斑海豹属动物）佩戴了不透光的眼罩和隔音的耳罩，在暂时屏蔽其视觉和听觉信号的情况下，测试它能否跟上一条小型潜艇的轨迹(guǐjì)。潜艇由螺旋桨驱动，像一条机械鱼，在水池(shuǐchí)中以 2 米每秒的速度(sùdù)划出(huàchū)直线，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。

海豹(hǎibào)用胡须追踪鱼的轨迹 图片来源：heather beem

潜艇(qiántǐng)留下(liúxià)的痕迹只有狭窄的水流通道，并且超过 20 秒后，水流的轨迹就会(huì)慢慢消失。这些水流痕迹模仿(mófǎng)了鱼类游动留下的涡旋，像隐形的足迹，肉眼无法捕捉。潜艇运行固定距离后，停在一个半(yīgèbàn)圆周上，周长 12.57 米，Rosi 的任务是潜入水下，找到它。

图（a）图中展示(zhǎnshì)了一个水下实验装置。实验者站在平台上，平台下方是水面，水下有一个潜水站，海豹佩戴眼罩(yǎnzhào)和耳机以隔离(gélí)视觉和听觉干扰。图（b）这一部分展示了海豹追踪运动的(de)序列图像，时间戳从 00.00 秒到 17.13 秒 图（c）展示了海豹追踪时的两种(liǎngzhǒng)轨迹 图片来源：参考文献[3]

水池上方，摄像机记录下 Rosi 的每一帧行动画面。Rosi 潜入水池，88 根胡子(húzi)展开，像天线般微微抖动。接着，它朝水池中心(zhōngxīn)游去，头部轻轻摆动(bǎidòng)，像是用胡子“嗅”着水流的低语。

令人难以置信的是，Rosi 在(zài) 326 次试验(shìyàn)中成功找到潜艇的次数为 298 次，成功率约 91.4%，远超偶然概率的 13 次。并且，它追踪的距离可远达 180 米，不仅(bùjǐn)能追踪直线痕迹，还能跟着弯曲的涡旋(wōxuán)游动。

海豹的“追踪神器”是什么(shénme)？

目标(mùbiāo)物的轨迹如此狭窄(xiázhǎi)、痕迹停留时间如此短暂，海豹究竟拥有什么样的“追踪神器”呢？

答案是胡须。海豹胡须的(de)(de)(de)毛囊周围(zhōuwéi)有复杂的血窦（具体来说，它是一组充满血液的腔隙，位于毛囊的基部）和多种(duōzhǒng)机械感受器，能感知微弱的水流信号，将机械信号转为电信号，传递到大脑的体感皮层。而它们的 88 根胡须则像“神经网络”，能够整合信号，绘制出水流的“动态地图”，就像一个精密的水下雷达。

海豹(hǎibào) 图片来源：Earth 网

然而，水下的(de)环境极为复杂，水下的“背景噪音”极大(jídà)。想象你在一条喧闹的大街上，想听清朋友低声说话，但周围的车声、人声令你晕眩(yūnxuàn)。同样地，海豹的胡须在水下面临(miànlín)的“背景噪音”就有类似的感觉。

水下的背景噪音不仅来源于水中悬浮颗粒的碰撞，还有水中的杂乱水流，最重要的是一种叫“涡激振动”（vortex-induced vibrations）的影响(yǐngxiǎng)。涡激振动是流体力学的一种现象。当水流或空气以一定速度流过物体时(shí)，流体会因为物体的阻挡而分裂，形成周期性(zhōuqīxìng)的涡旋。这些涡旋产生(chǎnshēng)不均匀的压力(yālì)，推着物体振动。振动的频率（晃动的快慢程度）取决于(qǔjuéyú)流速、物体形状和大小。

理论(lǐlùn)上，当海豹游动时，水流经过胡须会形成小旋涡，这些旋涡会推着胡须来回晃动(huàngdòng)，产生的便是涡激振动。这种晃动就像收音机里的杂音(záyīn)，干扰胡须感知鱼类尾流等微弱信号。

因此(yīncǐ)，新的谜团浮现了：海豹(hǎibào)的胡须是如何捕捉这些微弱信号的？怎么消除周围的干扰获取精准的信号？

高精确度的“水下雷达(léidá)”？

2010 年，科学家们对海豹胡须展开了实验。他们搬出了一个旋转流槽，像个巨大(jùdà)的旋转木马，直径 1.24 米(mǐ)，水深 20 厘米(límǐ)。水槽绕中心轴旋转，制造(zhìzào)出稳定的水流，速度从 0.323 米每秒到 0.550 米每秒。

科学家们从自然死亡的幼年海豹和(hé)博物馆标本中取来三根(sāngēn)港海豹胡须和三根加利福尼亚海狮胡须，长度相近。

虽然海豹和海狮就像“表兄弟”，生活方式和环境很像，但(dàn)它们的胡须结构不太一样。海豹的胡须有(yǒu)独特(dútè)的波浪状结构，每根胡须有 10~12 个波峰波谷，波长 1.5~2 毫米(háomǐ)，横截面为椭圆形；而海狮的胡须是平滑的圆柱形，横截面近圆形，直径约(zhíjìngyuē) 0.4 毫米。

港海豹（AB）和加利福尼亚海狮(hǎishī)胡须（CD）的结构差异 图片(túpiàn)来源：文献[2]

它们的(de)胡须被固定在一个压电传感器上，传感器像个超级灵敏的“地震仪”，能够测量水流对胡须的推力(tuīlì)。为了使海豹胡须周围的涡流可视化，科学家在水槽中(zhōng)加入了微小的塑料颗粒，这些颗粒会随着水流而(ér)移动。激光照射颗粒，便会形成图案。

实验水槽 图片来源：伍兹霍尔海洋研究所(yánjiūsuǒ)

结果发现，在相同水流速度下，港海豹胡须的(de)振动幅度比海狮胡须低 6.2 倍(bèi)，甚至在所有速度（指实验测试的水流速度范围，从 0.323 米/秒到 0.55 米/秒不等）下低 9.5 倍。海豹的波浪胡须就像装了“减震器”，几乎不受水流涡旋的干扰(gānrǎo)。这让海豹胡须能(néng)清晰捕捉水流速度低至 0.25 毫米每秒的信号，将(jiāng)信噪比（是一个衡量信号质量的指标，定义为有用信号功率(gōnglǜ)与背景噪声功率的比值，通常(tōngcháng)用分贝（dB）表示。）提高了 2 倍。

水流经过三种不同形状物体——港海豹胡须、椭圆柱体和圆柱体时(shí)形成的涡流(wōliú)差异(chāyì)。波浪状胡须通过打乱涡流群，让涡流形成更远，减少了振动 图片来源：参考文献[3]

故事并未止步，对海豹胡须的研究(yánjiū)还在延伸。

2015 年，麻省理工学院（MIT）的工程师们用 3D 打印技术(jìshù)复制了海豹胡须的波浪状结构(jiégòu)，打造出(dǎzàochū)“人工海豹胡子”传感器。

人造胡须(húxū)的形状和海豹胡须相近，但比真的海豹胡须粗(cū) 50 倍 图片来源：heather beem

这些胡须用柔性树脂制成，硬度与海豹(hǎibào)胡须的(de)角蛋白相仿，既坚韧又弹性十足。为了(le)对比，他们还打印了平滑(pínghuá)的圆柱形胡须，模仿加利福尼亚海狮的胡须。当然，人工海豹胡须不负期待，它们以 60%~80%的振动抑制和 1.8~2.2 倍的信噪比，证明了海豹胡须的工程(gōngchéng)潜力。

仿生学通过模仿自然界的(de)精妙设计解决工程难题。海豹胡须的波浪状结构是亿万年(yìwànnián)进化的结果，兼顾抗振和信号感知。模仿海豹胡须打造出(dǎzàochū)复制品(fùzhìpǐn)有助于开发出高灵敏、低干扰的传感器，超越传统设备（如声呐）在浑浊水域的局限(júxiàn)，有望将其应用于水下机器人、航空甚至医疗领域。

想象一下，一台水下机器人(jīqìrén)，装着波浪状的“人工海豹胡子”，在(zài)浑浊的港口里穿梭。港口的水像一锅混汤，充满了泥沙(níshā)和垃圾，传统的声呐(shēngnà)“看不清路(lù)”。但这些胡须传感器却像海豹一样，灵敏地“嗅”到了一股微弱的水流——那是泄漏的油污在水里扩散的痕迹，速度只有每秒 0.5 毫米，比蜗牛爬还慢。机器人顺着水流，精准定位到漏油点，误差不到 10 厘米，帮工程师迅速封堵(fēngdǔ)污染，保护了海洋生态(shēngtài)。

在医院里(lǐ)，医生们用微型波浪状传感器(chuángǎnqì)，模仿胡须的抗振和感知能力，将其装在微流控设备上，可以检测血液或体液的流动(liúdòng)变化。这些传感器能捕捉到 1 微米的微小扰动，协助医生发现血液里异常的细微信号，比如早期(zǎoqī)癌症的线索。它们(tāmen)安静又精准，就像海豹在水下“听”鱼儿的低语，给了患者更早的治疗机会。

这些应用(yìngyòng)只是冰山一角。看似科幻，也许在不久(bùjiǔ)的将来就能实现，我们拭目以待。

从港口的(de)“环保卫士”到医院的“健康侦探”，波浪状的海豹胡须像一把万能钥匙，指引着人类打开了无数扇科技之门(mén)，我们期待着早日(zǎorì)利用这些动物世界的智慧改变生活。

作者丨苏澄宇 科学创作者(chuàngzuòzhě)