2001年，科學家們精心設計了一個科學實驗。他們給一隻名叫Rosi的港海豹（海豹科、斑海豹屬動物）佩戴了不透光的眼罩和隔音的耳罩，在暫時屏蔽其視覺和聽覺信號的情況下，測試它能否跟上一條小型潛艇的軌跡。潛艇由螺旋槳驅動，像一條機械魚，在水池中以2米每秒的速度劃出直線，以1.5米每秒的速度畫出曲線。

海豹用鬍鬚追蹤魚的軌跡

（圖片來源：heather beem）

潛艇留下的痕跡只有狹窄的水流通道，並且超過20秒後，水流的軌跡就會慢慢消失。這些水流痕跡模仿了魚類遊動留下的渦旋，像隱形的足跡，肉眼無法捕捉。潛艇運行固定距離後，停在一個半圓周上，周長12.57米，Rosi的任務是潛入水下，找到它。

圖（a）圖中展示了一個水下實驗裝置。實驗者站在平臺上，平臺下方是水面，水下有一個潛水站，海豹佩戴眼罩和耳機以隔離視覺和聽覺干擾。

圖（b）這一部分展示了海豹追蹤運動的序列圖像，時間戳從00.00秒到17.13秒

圖（c）展示了海豹追蹤時的兩種軌跡

（圖片來源：參考文獻[3]）

水池上方，攝像機記錄下Rosi的每一幀行動畫面。Rosi潛入水池，88根鬍子展開，像天線般微微抖動。接着，它朝水池中心遊去，頭部輕輕擺動，像是用鬍子“嗅”着水流的低語。

令人難以置信的是，Rosi在326次試驗中成功找到潛艇的次數爲298次，成功率約91.4%，遠超偶然概率的13次。並且，它追蹤的距離可遠達180米，不僅能追蹤直線痕跡，還能跟着彎曲的渦旋遊動。

海豹的“追蹤神器”是什麼？

目標物的軌跡如此狹窄、痕跡停留時間如此短暫，海豹究竟擁有什麼樣的“追蹤神器”呢？

答案是鬍鬚。海豹鬍鬚的毛囊周圍有複雜的血竇（具體來說，它是一組充滿血液的腔隙，位於毛囊的基部）和多種機械感受器，能感知微弱的水流信號，將機械信號轉爲電信號，傳遞到大腦的體感皮層。而它們的88根鬍鬚則像“神經網絡”，能夠整合信號，繪製出水流的“動態地圖”，就像一個精密的水下雷達。

海豹

（圖片來源：Earth網）

然而，水下的環境極爲複雜，水下的“背景噪音”極大。想象你在一條喧鬧的大街上，想聽清朋友低聲說話，但周圍的車聲、人聲令你暈眩。同樣地，海豹的鬍鬚在水下面臨的“背景噪音”就有類似的感覺。

水下的背景噪音不僅來源於水中懸浮顆粒的碰撞，還有水中的雜亂水流，最重要的是一種叫“渦激振動”（vortex-induced vibrations）的影響。渦激振動是流體力學的一種現象。當水流或空氣以一定速度流過物體時，流體會因爲物體的阻擋而分裂，形成周期性的渦旋。這些渦旋產生不均勻的壓力，推着物體振動。振動的頻率（晃動的快慢程度）取決於流速、物體形狀和大小。

理論上，當海豹遊動時，水流經過鬍鬚會形成小旋渦，這些旋渦會推着鬍鬚來回晃動，產生的便是渦激振動。這種晃動就像收音機裏的雜音，干擾鬍鬚感知魚類尾流等微弱信號。

因此，新的謎團浮現了：海豹的鬍鬚是如何捕捉這些微弱信號的？怎麼消除周圍的干擾獲取精準的信號？

海豹鬍鬚因何能成爲高精確度的“水下雷達”？

2010年，科學家們對海豹鬍鬚展開了實驗。他們搬出了一個旋轉流槽，像個巨大的旋轉木馬，直徑1.24米，水深20釐米。水槽繞中心軸旋轉，製造出穩定的水流，速度從0.323米每秒到0.550米每秒。

科學家們從自然死亡的幼年海豹和博物館標本中取來三根港海豹鬍鬚和三根加利福尼亞海獅鬍鬚，長度相近。

雖然海豹和海獅就像“表兄弟”，生活方式和環境很像，但它們的鬍鬚結構不太一樣。海豹的鬍鬚有獨特的波浪狀結構，每根鬍鬚有10-12個波峯波谷，波長1.5-2毫米，橫截面爲橢圓形；而海獅的鬍鬚是平滑的圓柱形，橫截面近圓形，直徑約0.4毫米。

港海豹（AB）和加利福尼亞海獅鬍鬚（CD）的結構差異

（圖片來源：文獻[2]）

它們的鬍鬚被固定在一個壓電傳感器上，傳感器像個超級靈敏的“地震儀”，能夠測量水流對鬍鬚的推力。爲了使海豹鬍鬚周圍的渦流可視化，科學家在水槽中加入了微小的塑料顆粒，這些顆粒會隨着水流而移動。激光照射顆粒，便會形成圖案。

實驗水槽

（圖片來源：伍茲霍爾海洋研究所）

結果發現，在相同水流速度下，港海豹鬍鬚的振動幅度比海獅鬍鬚低6.2倍，甚至在所有速度（指實驗測試的水流速度範圍，從0.323米/秒到0.55米/秒不等）下低9.5倍。海豹的波浪鬍鬚就像裝了“減震器”，幾乎不受水流渦旋的干擾。這讓海豹鬍鬚能清晰捕捉水流速度低至0.25毫米每秒的信號，將信噪比（是一個衡量信號質量的指標，定義爲有用信號功率與背景噪聲功率的比值，通常用分貝（dB）表示。）提高了2倍。

水流經過三種不同形狀物體——港海豹鬍鬚、橢圓柱體和圓柱體時形成的渦流差異。波浪狀鬍鬚通過打亂渦流羣，讓渦流形成更遠，減少了振動

（圖片來源：參考文獻[3]）

打造仿生海豹鬍鬚，能應用在哪些領域？

故事並未止步，對海豹鬍鬚的研究還在延伸。

2015年，麻省理工學院（MIT）的工程師們用3D打印技術複製了海豹鬍鬚的波浪狀結構，打造出“人工海豹鬍子”傳感器。

人造鬍鬚的形狀和海豹鬍鬚相近，但比真的海豹鬍鬚粗50倍

（圖片來源：heather beem）

這些鬍鬚用柔性樹脂製成，硬度與海豹鬍鬚的角蛋白相仿，既堅韌又彈性十足。爲了對比，他們還打印了平滑的圓柱形鬍鬚，模仿加利福尼亞海獅的鬍鬚。當然，人工海豹鬍鬚不負期待，它們以60-80%的振動抑制和1.8-2.2倍的信噪比，證明了海豹鬍鬚的工程潛力。

仿生學通過模仿自然界的精妙設計解決工程難題。海豹鬍鬚的波浪狀結構是億萬年進化的結果，兼顧抗振和信號感知。模仿海豹鬍鬚打造出複製品有助於開發出高靈敏、低干擾的傳感器，超越傳統設備（如聲吶）在渾濁水域的侷限，有望將其應用於水下機器人、航空甚至醫療領域。

想象一下，一臺水下機器人，裝着波浪狀的“人工海豹鬍子”，在渾濁的港口裏穿梭。港口的水像一鍋混湯，充滿了泥沙和垃圾，傳統的聲吶“看不清路”。但這些鬍鬚傳感器卻像海豹一樣，靈敏地“嗅”到了一股微弱的水流——那是泄漏的油污在水裏擴散的痕跡，速度只有每秒0.5毫米，比蝸牛爬還慢。機器人順着水流，精準定位到漏油點，誤差不到10釐米，幫工程師迅速封堵污染，保護了海洋生態。

在醫院裏，醫生們用微型波浪狀傳感器，模仿鬍鬚的抗振和感知能力，將其裝在微流控設備上，可以檢測血液或體液的流動變化。這些傳感器能捕捉到1微米的微小擾動，協助醫生髮現血液裏異常的細微信號，比如早期癌症的線索。它們安靜又精準，就像海豹在水下“聽”魚兒的低語，給了患者更早的治療機會。

這些應用只是冰山一角。看似科幻，也許在不久的將來就能實現，我們拭目以待。

從港口的“環保衛士”到醫院的“健康偵探”，波浪狀的海豹鬍鬚像一把萬能鑰匙，指引着人類打開了無數扇科技之門，我們期待着早日利用這些動物世界的智慧改變生活。

參考文獻：

[1]Dehnhardt G., Mauck B., Hanke W., Bleckmann H. (2001). Hydrodynamic trail following in harbor seals (Phoca vitulina). Science 293, 102-104.

[2]Hanke W, Witte M, Miersch L, et al. Harbor seal vibrissa morphology suppresses vortex-induced vibrations[J](#). Journal of Experimental Biology, 2010, 213(15): 2665-2672.

[3]Zheng X, Kamat A M, Cao M, et al. Creating underwater vision through wavy whiskers: A review of the flow-sensing mechanisms and biomimetic potential of seal whiskers[J](#). Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18(183): 20210629.

出品：科普中國

作者：蘇澄宇（科普創作者）

監製：中國科普博覽