2001 年，科学家们精心设计了一个科学实验。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。潜艇由螺旋桨驱动，像一条机械鱼，在水池中以 2 米每秒的速度划出直线，以 1.5 米每秒的速度划出曲线。
海豹用胡须追踪鱼的轨迹 图片来源：heather beem
潜艇留下的痕迹只有狭窄的水流通道，并且超过 20 秒后，水流的轨迹就会慢慢消失。这些水流痕迹模仿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，海豹佩戴眼罩和耳机以隔离视觉和听觉干扰。图（b）这一部分展示了海豹追踪运动的序列图像，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 根胡子展开，像天线般微微抖动。接着，它朝水池中心游去，头部轻轻摆动，像是用胡子“嗅”着水流的低语。
令人难以置信的是，Rosi 在 326 次试验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，不仅能追踪直线痕迹，还能跟着弯曲的涡旋游动。

海豹的“追踪神器”是什么？

目标物的轨迹如此狭窄、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。海豹胡须的毛囊周围有复杂的血窦（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 图片来源：Earth 网
然而，水下的环境极为复杂，水下的“背景噪音”极大。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。同样地，海豹的胡须在水下面临的“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。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，流体会因为物体的阻挡而分裂，形成周期性的涡旋。这些涡旋产生不均匀的压力，推着物体振动。振动的频率（晃动的快慢程度）取决于流速、物体形状和大小。
理论上，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，产生的便是涡激振动。这种晃动就像收音机里的杂音，干扰胡须感知鱼类尾流等微弱信号。
因此，新的谜团浮现了：海豹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？

海豹胡须因何能成为

高精确度的“水下雷达”？

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，像个巨大的旋转木马，直径 1.24 米，水深 20 厘米。水槽绕中心轴旋转，制造出稳定的水流，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博物馆标本中取来三根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，但它们的胡须结构不太一样。海豹的胡须有独特的波浪状结构，每根胡须有 10~12 个波峰波谷，波长 1.5~2 毫米，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 0.4 毫米。
港海豹（AB）和加利福尼亚海狮胡须（CD）的结构差异 图片来源：文献[2]
它们的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。为了使海豹胡须周围的涡流可视化，科学家在水槽中加入了微小的塑料颗粒，这些颗粒会随着水流而移动。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
结果发现，在相同水流速度下，港海豹胡须的振动幅度比海狮胡须低 6.2 倍，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。这让海豹胡须能清晰捕捉水流速度低至 0.25 毫米每秒的信号，将信噪比（是一个衡量信号质量的指标，定义为有用信号功率与背景噪声功率的比值，通常用分贝（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形成的涡流差异。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]

打造仿生海豹胡须，

能应用在哪些领域？

故事并未止步，对海豹胡须的研究还在延伸。
2015 年，麻省理工学院（MIT）的工程师们用 3D 打印技术复制了海豹胡须的波浪状结构，打造出“人工海豹胡子”传感器。
人造胡须的形状和海豹胡须相近，但比真的海豹胡须粗 50 倍 图片来源：heather beem
这些胡须用柔性树脂制成，硬度与海豹胡须的角蛋白相仿，既坚韧又弹性十足。为了对比，他们还打印了平滑的圆柱形胡须，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潜力。
仿生学通过模仿自然界的精妙设计解决工程难题。海豹胡须的波浪状结构是亿万年进化的结果，兼顾抗振和信号感知。模仿海豹胡须打造出复制品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，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，装着波浪状的“人工海豹胡子”，在浑浊的港口里穿梭。港口的水像一锅混汤，充满了泥沙和垃圾，传统的声呐“看不清路”。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，帮工程师迅速封堵污染，保护了海洋生态。
在医院里，医生们用微型波浪状传感器，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，比如早期癌症的线索。它们安静又精准，就像海豹在水下“听”鱼儿的低语，给了患者更早的治疗机会。
这些应用只是冰山一角。看似科幻，也许在不久的将来就能实现，我们拭目以待。
从港口的“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，我们期待着早日利用这些动物世界的智慧改变生活。

参考文献

[1]Dehnhardt G., Mauck B., Hanke W., Bleckmann H. (2001). Hydrodynamic trail following in harbor seals (Phocavitulina). 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.

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出品丨科普中国

作者丨苏澄宇 科学创作者

监制丨中国科普博览

责编丨一诺

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