這看似是一個理所應當的問題：「因為魚有鰭，就像人有腳一樣，所以魚會遊泳」。如果嫌這句話麻煩甚至可以用「因為它是魚，所以它會遊泳」這種方式來回答。
但真相真的是這樣嗎？魚鰭是魚遊泳的主要動力來源嗎？如果深究下來，你會發現這個問題其實並不簡單。
很早之前，人們就認識到，遊泳是動物最省力的運動方式。
走路、飛行、遊泳，如果讓你選擇一種方式從A點移動到B點，你會怎麽選？
我想大部份人都會選擇飛行，確實，對於個體來說，飛行是最快的運動方式，但如果單從消耗能量大小的角度來考慮，飛行卻不是最優解。
科學家研究發現，同樣要移動1km，松鼠爬行需要消耗22.73J的熱量；海鷗飛行需要消耗6.07J的熱量；鮭魚遊泳只需要消耗1.63J的熱量，大約只有松鼠的1/20，海鷗的1/6。
就算是找一個和鮭魚一模一樣的物體，用同樣的速度把它放到水裏拖動它移動1km，科學家發現會遊動的鮭魚消耗的能量只有前者的1/7-1/8， 很顯然，遊泳是動物最省力的方式。
魚既然遊泳那麽高效，人類肯定會想去模仿它，去創造一個和魚運動方式一樣的水下推進裝置。
你也許會想，我們不是已經有潛艇了嗎？但即使是最快的核潛艇，用螺旋槳推進的它時速只有44.7節，也就是每小時80.4公裏。水裏遊得最快的旗魚，速度可以達到每小時112公裏。不止是速度的問題，潛艇推進時噪音大、耗能高，並且高速旋轉的螺旋槳還會產生空蝕效應，導致螺旋槳磨損。
所以人類一直想去模仿魚的遊動方式，設計出更先進的水下載具，這也就是仿生。
但想去模仿，就得先搞懂魚遊泳的原理。
那第一個問題來了， 選哪種魚作為研究物件呢？
如果仔細觀察魚的運動方式，你會發現大部份的魚運動方式大抵相同： 利用尾部和身軀肌肉的收縮排行有規律的左右扭動，專業上這稱為身體/尾鰭推進模式(Body and/or caudal fin, BCF)。
科學家發現， 不同的魚，扭動的振幅大小和頻率不太一樣，但核心都是在於扭動。 當然，魚鰭的擺動在遊動時也起到一定的作用，主要是調整方向，最主要的動力還是來自於身軀的扭動，特別是當魚快速移動的時候。所以，魚鰭並不是魚遊泳的主要的動力來源，而是軀幹的扭動。
既然魚的主要運動方式是靠軀幹的扭動，那就研究它們扭動的細節就好了。 前面說了，不同的魚擺動的振幅不太一樣，有的振幅大，有的振幅小。扭動振幅大的稱為波動式，扭動振幅小的稱為擺動式。不管怎麽分類，這兩種推進模式在基本運動原理都一樣。
作為科學研究，肯定優先找那些擺動振幅大的魚來作為研究物件， 因為運動振幅越大，越容易觀察到擺動的細節。
那什麽魚擺動振幅比較大呢？自然是黃鱔、鰻鱺之類的長條魚，因為身型越長條，利用肌肉收縮為動力產生的波浪式運動越明顯。
所以很早的時候， 科學家就拿鰻魚之類的長條魚來做實驗，主要用高速攝影的方式來拍攝它們的運動方式。
利用攝影技術來研究魚的運動方式，有很大的局限性。魚是自由的，它在水箱裏遊來遊去都是隨心所欲的，更不會做出特定的動作來滿足科學家的研究需求。
為了定量分析魚在遊動過程中的振幅、頻率、前進速度等參數，有科學家設計了一個能讓一條死魚軀體產生波狀遊泳動作的機械裝置。
這個裝置透過在魚的身體上插一排長桿，然後搖動裝置上的凸輪來控制魚的動作。當凸輪轉動的時候，動桿就會驅動魚體產生預定的波狀運動。這樣科學家就可以讓魚按照自己想要的方式進行運動，可以更方便地研究出具體的參數。
記錄下魚運動的方式很多，但不管什麽研究方式，最後都還是要總結成理論模型，才能了解運動的具體機制。
透過觀察科學家發現，在魚的遊動過程中，魚體的肌肉會按從頭至尾的順序進行收縮，身體逐個部位彎曲，產生向後的運動波，進而推動水流產生向前的推力。
至於這個推力是如何產生的，主要有兩個理論來解釋： 阻力理論（RFT）、細長體理論（EBT）。
阻力理論： 這是英國物理學家弗裏·泰勒（Geoffrey Taylor）在1952年提出的， 在阻力理論中，一個物體會被分割成無窮小的部份，每一個部份都會產生推力和阻力。 當魚產生波浪式運動時，那麽垂直於魚體方向的阻力比平行於魚體方向的阻力大。其結果是在平行方向，也就是前進的方向上，產生一個推力。
細長體理論： 這是一位英國數學家占士·萊特希爾（James Lighthill）在1960年提出的，和前面的阻力理論完全不一樣，他認為 推動魚前進主要依靠的是水的慣性。 這使得魚體作為一個平面，可以透過小振幅的波動產生推力。
這兩個理論之間的最主要區別在於所產生的力量的類別。 泰勒理論認為，讓魚向前遊動的力產生於阻力，阻力的作用方向和魚的運動方向相反，但與物體運動速度相一致；萊特希爾則認為魚向前的遊動的力產生於反作用力，其作用方向與作用力相反，並與加速度保持一致。
後來一個北京電腦科學研究中心的團隊，透過超級電腦的模擬，對兩個理論進行了驗證。 之後發現兩個理論都是對的，但不同的魚情況不太一樣。
這主要還是和魚的形狀有關，長條形的魚，比如鰻魚，它在波動的時候，軀幹部份產生的阻力是最主要的，因為這部份力的作用相對平滑和均勻。
而對於鯖魚，這類形狀比較普通的魚，它在擺動的時候，雖然也依靠軀幹部份的阻力，但尾鰭左右擺動產生的反作用力也同樣很重要。
簡單來說，身型越長條的魚，越依靠軀幹部份產生的作用力，身型越短的魚，越依靠尾鰭產生的作用力。
將動力移到尾部的魚有一個缺點，那就是魚體很容易失去側向平衡，也就是說，它一擺尾就可能會引起頭部的搖擺。
對於這點，鮁魚透過演化，把自己身體中部垂直面提高，增重軀幹前面的重量（可以說是增加配重），來增大左右擺動的阻力，避免了遊泳的時候偏來偏去。
雖然科學家最終搞清楚了魚到底是如何遊動的，但他們並沒有搞懂魚遊動過程中能量是如何轉移利用的，這也是為什麽直到現在，我們還沒能造出一個完美的仿生魚遊動裝置。
之前造出來的仿生魚雖然可以模擬魚的遊動效果，但問題還有一大堆： 要麽遊得太慢，要麽功耗太高，要麽軀體過大，要麽結構復雜。
魚遊泳很容易見到，但即使是身邊常見的現象，要搞清楚原理也很難，要復制它則更難。在大自然面前，人類的知識真的好渺小……
附：魚為什麽不倒著遊泳？
大多數魚 以背部朝上的姿勢遊泳，當然有時候也會 偶爾 翻過來遊，比如這條紅帶擬花鱸（red-belted anthias）。
它們選擇以這樣的方式遊泳，原因如下：
所以，魚是憑借運動模式、重力、光的多重趨性作用來控制身體朝向的。歸根結底，這一切都是前進演化使然，選擇最優解一般都是前進演化的正確方向。
前面說了是 大部份 魚會背部朝上遊泳，然而還是會有一些「 奇葩 」，在魚類世界顯得格格不入。
Upside-down catfish 是一種鮎魚，約10cm長，是杜鵑鯰（cuckoo catfish）的近親，並且這兩個物種都來自非洲。正如其名，它們喜歡肚子朝上遊。（ 通常來說肚子朝上就是掛了 ）
它們在剛出生的時候會像其他魚一樣，背部朝上在水裏遊。兩個月後，他們就開始顛倒著在水裏遊。
科學家不確定它為什麽這樣做，但是對這種特殊的鯰魚來說，肚子朝上遊泳是正常的，而不是不健康的特征。
獅子魚（ Pterois volitans） 體長25-40厘米，體表黃色，布有紅色至棕色條紋。背部有毒棘，胸鰭羽狀，背鰭、臀鰭和尾鰭透明。
獅子魚可以任意操縱它們的魚鰾來倒著遊泳。 鰾 是輻鰭魚類體內的一個內充氣體的囊狀器官，其生理作用是調節魚在水中的沈浮。
因為獅子魚的魚鰾比其他魚大得多，這才使他們如此任性，能夠以奇怪的角度遊泳，甚至是肚子朝上遊。
所以對於這個物種來說，倒著遊也屬於正常行為。
除了肚子朝上的奇葩，還有「站」著遊的。比如 條紋鰕魚 ，它的頭朝下，尾巴向上，挺著肚子遊，理不直氣也壯。
本魚體側扁近透明，體外由脊柱擴充套件而成之薄骨枝，分節但密接；腹緣銳利如刀鋒。這種魚長9.9~16.5cm，肉很少，全身披硬甲，不能吃，經濟價值很低。
除了豎著遊，條紋鰕魚有時候也會橫著遊。
當然還有另一種情況，就是魚生病了，得了鰾病（Swim bladder diseas）。
魚鰾出現了問題的魚就會肚子朝上地遊泳。
參考文獻：
出品：科普中國
制作：蘇澄宇
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