經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的自然選擇與進(jìn)化適應(yīng)，多種海洋生物發(fā)展出在復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境中生存繁衍的感知能力，它們通過(guò)高度特化的感覺(jué)系統(tǒng)捕捉障礙物、獵物或捕食者產(chǎn)生的水動(dòng)力信號(hào)，構(gòu)建對(duì)周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知圖景。近年來(lái)，海豹胡須對(duì)水動(dòng)力刺激的優(yōu)異感知能力已成為流體力學(xué)、仿生工程及動(dòng)物行為學(xué)等領(lǐng)域的跨學(xué)科研究熱點(diǎn)，研究界為推進(jìn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化正致力于開(kāi)發(fā)仿胡須水下機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)模擬海豹利用胡須追蹤獵物的行為模式，以期提升水下目標(biāo)的定位精度與機(jī)動(dòng)性。但該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸在于真實(shí)海豹胡須樣本的稀缺性，以及實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)高精度建模的顯著難度。

基于此，荷蘭格羅寧根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于斑海豹和灰海豹的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)包含141個(gè)三維海豹胡須模型的開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)提出一種基于歐拉螺線的簡(jiǎn)化建模方法，實(shí)現(xiàn)了海豹胡須的同步擬合與空間映射。利用上述參數(shù)化模型，團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制備三維胡須實(shí)體，為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)生物學(xué)和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研究人員提供了寶貴的資源。

該研究以“Wonders of Harbor and Grey Seal Whiskers: Morphology, Natural Frequencies, and 3D Modeling”為題，發(fā)布在國(guó)際期刊《Advanced Science》上。

斑海豹與灰海豹的胡須主要分布于眼部上方區(qū)域（眶上區(qū)） 和 口鼻部區(qū)域。由于眶上區(qū)可采集的胡須樣本量較少，本研究從死亡海豹標(biāo)本的口鼻部區(qū)域采集并分析胡須樣本。其中，胡須位置圖譜的構(gòu)建方法直接影響行列劃分規(guī)則：圖1I展示了兩種圖譜的差異——上圖為本研究提出的定義方法，下圖則采用Dehnhardt與Kaminski建立的行列式命名法。兩種圖譜的行方向劃分一致，但列方向劃分存在顯著區(qū)別（圖1H）。

本研究核心目標(biāo)是揭示海豹胡須幾何參數(shù)與固有頻率的空間分布規(guī)律。胡須位置圖譜的定義方法（包括行列式命名法）僅影響測(cè)量值在空間分布圖中的呈現(xiàn)形式，并不改變其內(nèi)在規(guī)律。例如，若將圖1H中兩圖譜的列方向定義為垂直、行方向?yàn)樗剑瑒t本研究的列方向?qū)?yīng)另一圖譜中從右下至左上的對(duì)角線方向，這種空間映射關(guān)系體現(xiàn)了不同分類體系間的轉(zhuǎn)換邏輯。

本研究首先系統(tǒng)量化了兩種海豹胡須的形態(tài)學(xué)參數(shù)（長(zhǎng)度、厚度、曲率）與固有頻率（圖2A-I），并將測(cè)量數(shù)據(jù)系統(tǒng)性標(biāo)注于自定義的胡須位置圖譜（圖3, 圖4）。所有有效數(shù)據(jù)均集成于統(tǒng)一的位置圖譜坐標(biāo)系，確保形態(tài)參數(shù)與固有頻率的空間映射關(guān)系可被精確關(guān)聯(lián)。基于此，研究進(jìn)一步揭示了參數(shù)沿吻端-尾端軸向與腹側(cè)-背側(cè)軸向的梯度變化規(guī)律（圖5A-H），這種定向變化暗示了海豹胡須感知系統(tǒng)的生物力學(xué)功能分區(qū)——吻端胡須可能優(yōu)先響應(yīng)高頻擾動(dòng)，而尾端胡須更擅長(zhǎng)捕捉低頻渦流信號(hào)。

再者，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于變換歐拉螺線的海豹胡須三維建模方法（圖2H）。該方法以變換歐拉螺線作為胡須的中心軸線，通過(guò)計(jì)算螺線上各點(diǎn)的形態(tài)學(xué)參數(shù)（包括橫截面形心坐標(biāo)、方向角（圖6A）以及長(zhǎng)軸與短軸尺寸（圖6B–G）），構(gòu)建沿軸線分布的系列橢圓橫截面。這些參數(shù)由變換歐拉螺線的參數(shù)方程精確導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)了從胡須基部到尖部幾何特征的連續(xù)映射。隨后，采用曲面放樣技術(shù)在相鄰橫截面間生成平滑過(guò)渡曲面（圖7A），最終形成高保真的三維海豹胡須CAD模型（圖7B）。

研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)人員采用摩方microArch® S240 （精度：10μm）3D 打印機(jī)來(lái)制造十個(gè)具有不同形態(tài)（長(zhǎng)度、厚度和曲率）的斑海豹和灰海豹胡須的原型（圖7E）。這些原型驗(yàn)證了海豹胡須的曲率梯度、軸向錐度及幾何波狀特征可被精確復(fù)現(xiàn)，由此證實(shí)了其形態(tài)學(xué)模型的增材制造可實(shí)施性。從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，所提供的 CAD 模型使得能夠進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬，通過(guò)構(gòu)建的海豹胡須模型闡明其流動(dòng)感知機(jī)制，如圖1E所示。

總結(jié)：

研究證明了基于歐拉螺線的海豹胡須擬合與映射，在計(jì)算用于構(gòu)建三維海豹胡須模型的全長(zhǎng)胡須平均曲率和橫截面方向角方面具有重要價(jià)值。此外，本文提出的構(gòu)建具有波浪狀、曲率和錐度特征的三維胡須的方法，可作為其他物種胡須研究的參考方法，并支持利用仿生胡須結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)流動(dòng)傳感器。