Adv. Sci.新研究：海豹胡須形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)庫與基于歐拉螺線的建模??方法

經(jīng)過數(shù)百萬年的自然選擇與進化適應(yīng)，多種海洋生物發(fā)展出在復(fù)雜水動力環(huán)境中生存繁衍的感知能力，它們通過高度特化的感覺系統(tǒng)捕捉障礙物、獵物或捕食者產(chǎn)生的水動力信號，構(gòu)建對周圍環(huán)境的動態(tài)感知圖景。近年來，海豹胡須對水動力刺激的優(yōu)異感知能力已成為流體力學(xué)、仿生工程及動物行為學(xué)等領(lǐng)域的跨學(xué)科研究熱點，研究界為推進應(yīng)用轉(zhuǎn)化正致力于開發(fā)仿胡須水下機器人系統(tǒng)，通過模擬海豹利用胡須追蹤獵物的行為模式，以期提升水下目標的定位精度與機動性。但該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸在于真實海豹胡須樣本的稀缺性，以及實現(xiàn)其復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)高精度建模的顯著難度。

基于此，荷蘭格羅寧根大學(xué)研究團隊基于斑海豹和灰海豹的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個包含141個三維海豹胡須模型的開放數(shù)據(jù)庫。同時，團隊提出一種基于歐拉螺線的簡化建模方法，實現(xiàn)了海豹胡須的同步擬合與空間映射。利用上述參數(shù)化模型，團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制備三維胡須實體，為計算流體動力學(xué)、實驗生物學(xué)和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研究人員提供了寶貴的資源。

該研究以“Wonders of Harbor and Grey Seal Whiskers: Morphology, Natural Frequencies, and 3D Modeling"為題，發(fā)布在國際期刊《Advanced Science》上。

斑海豹與灰海豹的胡須主要分布于眼部上方區(qū)域（眶上區(qū)） 和 口鼻部區(qū)域。由于眶上區(qū)可采集的胡須樣本量較少，本研究從死亡海豹標本的口鼻部區(qū)域采集并分析胡須樣本。其中，胡須位置圖譜的構(gòu)建方法直接影響行列劃分規(guī)則：圖1I展示了兩種圖譜的差異——上圖為本研究提出的定義方法，下圖則采用Dehnhardt與Kaminski建立的行列式命名法。兩種圖譜的行方向劃分一致，但列方向劃分存在顯著區(qū)別（圖1H）。

本研究核心目標是揭示海豹胡須幾何參數(shù)與固有頻率的空間分布規(guī)律。胡須位置圖譜的定義方法（包括行列式命名法）僅影響測量值在空間分布圖中的呈現(xiàn)形式，并不改變其內(nèi)在規(guī)律。例如，若將圖1H中兩圖譜的列方向定義為垂直、行方向為水平，則本研究的列方向?qū)?yīng)另一圖譜中從右下至左上的對角線方向，這種空間映射關(guān)系體現(xiàn)了不同分類體系間的轉(zhuǎn)換邏輯。

本研究首先系統(tǒng)量化了兩種海豹胡須的形態(tài)學(xué)參數(shù)（長度、厚度、曲率）與固有頻率（圖2A-I），并將測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)性標注于自定義的胡須位置圖譜（圖3, 圖4）。所有有效數(shù)據(jù)均集成于統(tǒng)一的位置圖譜坐標系，確保形態(tài)參數(shù)與固有頻率的空間映射關(guān)系可被精確關(guān)聯(lián)。基于此，研究進一步揭示了參數(shù)沿吻端-尾端軸向與腹側(cè)-背側(cè)軸向的梯度變化規(guī)律（圖5A-H），這種定向變化暗示了海豹胡須感知系統(tǒng)的生物力學(xué)功能分區(qū)——吻端胡須可能優(yōu)先響應(yīng)高頻擾動，而尾端胡須更擅長捕捉低頻渦流信號。

再者，研究團隊開發(fā)了一種基于變換歐拉螺線的海豹胡須三維建模方法（圖2H）。該方法以變換歐拉螺線作為胡須的中心軸線，通過計算螺線上各點的形態(tài)學(xué)參數(shù)（包括橫截面形心坐標、方向角（圖6A）以及長軸與短軸尺寸（圖6B–G）），構(gòu)建沿軸線分布的系列橢圓橫截面。這些參數(shù)由變換歐拉螺線的參數(shù)方程精確導(dǎo)出，實現(xiàn)了從胡須基部到尖部幾何特征的連續(xù)映射。隨后，采用曲面放樣技術(shù)在相鄰橫截面間生成平滑過渡曲面（圖7A），最終形成高保真的三維海豹胡須CAD模型（圖7B）。

研究過程中，團隊人員采用摩方microArch® S240 （精度：10μm）3D 打印機來制造十個具有不同形態(tài)（長度、厚度和曲率）的斑海豹和灰海豹胡須的原型（圖7E）。這些原型驗證了海豹胡須的曲率梯度、軸向錐度及幾何波狀特征可被精確復(fù)現(xiàn)，由此證實了其形態(tài)學(xué)模型的增材制造可實施性。從計算流體動力學(xué)的角度來看，所提供的 CAD 模型使得能夠進行流體動力學(xué)模擬，通過構(gòu)建的海豹胡須模型闡明其流動感知機制，如圖1E所示。

總結(jié)：

研究證明了基于歐拉螺線的海豹胡須擬合與映射，在計算用于構(gòu)建三維海豹胡須模型的全長胡須平均曲率和橫截面方向角方面具有重要價值。此外，本文提出的構(gòu)建具有波浪狀、曲率和錐度特征的三維胡須的方法，可作為其他物種胡須研究的參考方法，并支持利用仿生胡須結(jié)構(gòu)開發(fā)流動傳感器。