鱼形机器人：持续游动和间歇游动，哪种更省电？

许多水生动物，包括斑马鱼幼鱼，会采用间歇性运动方式——通过不连续的游动爆发（游泳 bout）和随后的被动滑行来移动，而非持续不断地运动。然而，一些基本问题仍未解决：这种行为背后的神经机制是什么？它又能带来哪些功能优势？具体而言，间歇性游泳是否比持续性游泳更节能？如果是，其机制又是什么？活体动物实验面临技术挑战，因为观察或操控自由游动动物的内部生理状态十分困难。因此，研究人员开发了ZBot，这是一种仿生机器人，复制了斑马鱼幼鱼的形态特征。通过嵌入受斑马鱼幼鱼神经回路和运动学记录启发的网络模型，ZBot能够复现斑马鱼幼鱼“游动-滑行”运动的多种游泳步态。通过测试ZBot在湍流和黏性流两种流态中的游泳情况，研究人员发现黏性流会显著缩短行进距离，但对转弯角度的影响很小。他们进一步在这些流态中测试ZBot，以分析关键参数（摆尾频率和幅度）如何影响速度和能量消耗。研究结果表明，在两种流态下，对于大多数可达到的速度，间歇性游泳都能降低运输的能量成本。尽管先前的研究将这种效率归因于流体动力学因素（如滑行阻力的减少），但本研究发现了另一种机制：更好的驱动装置效率。从机制上讲，这种优势源于间歇性运动将机器人的驱动装置转变为更高的内在效率状态。这项工作推出了一种能够进行仿生间歇性游泳的鱼形机器人——在相关速度下已证明其具有能量优势，并为理解塑造水生动物运动行为和效率的因素提供了普遍见解。