在不同流速下持续游动的鲫鱼尾迹形态与能量学

为何鱼类游动对河流与人类重要

当鱼在河中游动时，远不止是在水中滑行。每一次尾摆都会激起旋转的流场，这些图案讲述着能量、付出与生存的故事。本研究聚焦于常见淡水鱼——鲫鱼，以理解它们在何种情况下游动最有效率，以及在不同水速下需要付出多大代价。这些见解可帮助工程师设计越坝鱼道并修复河段，使鱼类有更大机会迁徙、觅食与繁殖。

在可控水流通道中观察鱼类

为揭示这些模式，研究人员将鲫鱼置于一台可以精确调节水速的专用游泳通道中。高速摄像记录了鱼类游动时头部与尾部随每次摆动的速度与位移。同时，一套基于激光的成像系统照亮水中的微小粒子，使团队能够绘制鱼体周围的流场以及它们留下的旋涡“尾迹”。这一装置使他们能够将体动、水动与能量消耗在同一框架下关联起来。

找出稳定游动的最佳工况

随着水速增大，鲫鱼通过加快尾摆频率并调整头尾摆幅来应对。鱼类能够在约0.85米/秒的临界速度以下维持稳定游动，超过此速率它们无法跟上水流。最有趣的变化出现在略低的速度区间，即约0.60到0.75米/秒。在该范围内，每次尾摆推进的距离和尾摆幅度出现了表征其努力管理方式转变的变化。一个与尾部运动和速度相关的无量纲指标（先前研究已将其作为高效游动的标志）也在该区间落入有利范围。

解读水中的旋转足迹

激光成像显示，每次尾摆都会产生一对旋转的水结构——涡旋，它们在鱼体后方像移动的链条一样排列。在这成对涡旋之间，一股狭窄的水流向后喷射，提供向前的推力。随着鲫鱼游速增高，这些涡旋的强度及其中含有的能量稳步上升。研究者将每对涡旋视为微小的“发动机”，计算出尾迹能量中有多少转化为推力，有多少仅仅搅动水体。在广泛的速度范围内，鲫鱼将大约62%到84%的尾迹能量转化为有效推力，这一较高的水动力效率随速度变化出人意料地不大。

当游动变成负担

同一研究组先前对相同鱼只的工作测量了耗氧量，显示鲫鱼在0.60到0.75米/秒之间开始依赖短时的、缺氧的能量来源。新的尾迹测量与这种代谢转变一致：在相同的速度带里，尾部和头部的运动特征改变、步距行为发生转变、尾迹模式也随之调整，而总体效率仍然保持较高水平。主动尾摆时鱼只遭受的阻力也被发现比用于描述刚性物体的简单公式预测的要大几倍，这再次强调了有生命、可变形的游动者面临的力学与固体试验体截然不同。

对河流管理与未来机器人的启示

综合来看，研究表明鲫鱼在其可持续最高速度的大约70%到88%之间游动时效率最高。超过该范围，它们必须动用更难以补充的能量储备，这会降低耐力并影响长期健康。对于河道管理者而言，这表明鱼道和修复河段内的水速应保持低于该阈值，以帮助更多鱼类安全通过。对于设计仿生鱼类机器人的工程师，尾部运动、尾迹结构与效率之间的详细联系为设计柔性、节能的推进系统提供了借鉴，模拟真实鱼类精巧地驱动水流的方式。

引用: Hou, Y., Wang, X., He, F. et al. Morphology and energetics of the wake behind a continuously swimming crucian carp at different flow velocities. Sci Rep 16, 15970 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46672-x

关键词: 鱼类游动, 流体力学, 尾迹涡旋, 鲫鱼, 鱼道设计