左：海马骨骼由围绕中心脊柱的高度精确骨板组成。右：3D打印原型的弯曲和扭转特性。

加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）研究人员发现相比于圆柱形尾巴，方形的海马尾巴可以抓住、控制并产生更多的接触点。

同时，方形板使得尾巴的强度更高、硬度更大且更耐应变。海马的尾巴大约有36块方状节段，每个节段含有4个L形的角板，其尺寸沿着尾巴的方向逐渐减小。这些角板可以自由滑动或转动，旋转接头类似于球窝关节，具有三个旋转自由度。

滑动关节使骨板移动至另一个。结缔组织的厚胶原层将这些骨板连接至脊椎。脊椎和骨板之间的关节相当灵活，大约有6个自由度。

“几乎所有的动物尾巴的横截面都是圆形或椭圆形，海马除外。我们不知道这是为什么。我们发现，当同时需要抓取和防御时，方形尾巴更加合适。”美国克拉姆森大学（Clemson University）机械工程系助理教授、该研究的首席研究员Michael Porter如此声称。他于2014年在加州大学圣迭戈分校获得材料科学与工程专业博士学位。

根据Porter的说法，一旦其中的一个特性被加强，将削弱其他特性中的至少一个。他与其他研究人员一起调查这种现象。该团队观察到，碾压骨板时，骨板移动只需一个自由度。环形板具有2个自由度，可滑动和旋转。因此，在永久失效前，方形板往往吸收更多的能量。

研究团队采用一系列方法，包括3D打印来模拟海马的方形尾巴，对其进行弯曲、旋转、压缩和粉碎试验。同样的，他们采用3D打印设计了一个由圆形且具有重叠节段的尾巴模型，并进行了类似的试验。

“新技术，如3D打印使我们能够模仿生物设计，还可以建立自然界中并未发现的假设模型。然后，对它们进行测试，激发新的工程应用，并解释生物系统如此发展的原因。”

——Michael Porter, Clemson University

该研究由加州大学圣迭戈分校的Porter发起，并与比利时根特大学（Ghent University）进化生物学教授Dominique Adriaens、加州大学圣迭戈分校材料科学与工程教授Marc Meyers 和Joanna McKittrick进行合作。

“Michael决定采用工程和技术学来解释生物特性。”该研究论文作者之一、Porter的合作导师McKittrick声称。“你可以简化自然并在实验室中进行研究，然后建立新的仿生结构和器件。”同为Porter合作导师及该论文合作者的Meyers这样补充到。

在克莱姆森大学，Porter研究团队正采用这种方法来设计创新的机器人系统和结构，模仿一系列理论和其他生态体系，将其转化成多学科研究——从工程仿生基础的生物学、工程领域直至进一步探索生物学。

相比于由圆形节段组成的模型，如果3D打印的方形海马尾巴是扭曲的，尾巴上的骨板相互妨碍，从而明显限制其活动范围。方形尾巴被扭曲之后，不需要使用大量的能量，它就能很快恢复到原来的形状。研究小组推测这可能防止尾部再次受到损伤。

然而，圆形节段的尾巴很容易扭曲，它需要更多的能量才能恢复到原状。相比于圆形节段尾巴而言，方形尾巴可产生更多的接触点。海马尾巴也会以这样的方式抓取落在视线范围内的物体。

Porter的研究得到了俄勒冈州立大学（Oregon State University）机械工程助理教授、机器人专家Ross L. Hatton的帮助，Ross L. Hatton同时也是该论文的作者之一。他开发了几何原型，用于说明尾巴的力学并表明其形状似这种抓取类型的精确设计。

此外，对3D打印节段模型进行压缩，并与没有任何节段的具有圆形和方形横截面的3D打印固体结构进行性能比较。研究人员发现，固体结构中与海马尾巴关节相同位置的地方完全破碎。这说明这种结构可以吸收更多的能量。

此外，在所有的粉碎试验中，方形模型优于圆形模型，因为方形节段失效但不改变形状。然而，施加负载以后，圆形节段被打开，其形状由圆形转变成椭圆形。这一点意义重大，因为海马的天敌是水鸟，水鸟用喙捕捉和挤压猎物。

另外，Porter正在研究这样的仿生器件如何应用于现实生活。一种选择是扩大结构，设计一种可在恶劣环境中使用的抓取机器臂；另一种选择是降低结构来开发导管。然而，存在巨大的可能性，该论文作者之一的Meyers如是说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮