藍鰭金槍魚(thunnus orientalis)

一種被稱為“海洋珍寶”的美麗大型魚類——在海洋中自由暢游。難以近距離觀測使他們的生物學特性極少被探索。近畿大學農業學院的高木聰教授一直在應用流體分析來揭示藍鰭金槍魚的神秘性質。

近畿大學高木教授（農業學院漁業系漁業生產系統實驗室）

揭開藍鰭金槍魚的真正本質----“海洋珍寶”                                                         

        藍鰭金槍魚是金槍魚家族中最為珍貴的。2002年，近畿大學成功飼養了這鐘特殊的魚并命名為Kindai金槍魚，引起了公眾的廣泛關注。

        近畿大學（農業系漁業系漁業生產系統實驗室）高木教授解釋說，藍鰭金槍魚的生物數據尚未完全收集。高木教授使用流體分析來研究魚類的真實性質和未知特征，但特別關注藍鰭金槍魚。

        金槍魚是生活在海洋中的大型食肉魚類。它們是鱸魚科成員，屬于魚亞目。它們的生物學分類與鯖魚和劍魚相同。除藍鰭金槍魚外，還有八個其他物種，包括廣為人知的黃鰭金槍魚和大眼金槍魚。藍鰭金槍魚是其中最大的，可重達400公斤（882磅），長達3米(10英尺）。它們被稱為“海洋珍寶”，只占金槍魚捕獲量的2成，但以最高的利潤在市場上交易。高木教授及其團隊一直在使用流體分析來研究藍鰭金槍魚的游泳能力。

      金槍魚游得很快。有些速度可以接近90公里/小時（56英里/小時)，較慢的如黃鰭金槍魚，速度在75公里/小時(47英里/小時)。被稱為最快海洋生物的印度洋旗魚游泳速度在每小時108公里（68英里/小時)。就每秒距離而言，黃鰭金槍魚在20BL/s，印度洋旗魚在15BL/s，這表明金槍魚是游泳速度最快的中型魚類之一。

        考慮到它們的速度和長距離游泳能力，金槍魚身體上的流體阻力被認為很小。但需要解答的問題是：如何測量或計算金槍魚的阻力？為了在水下環境中測試一條活的金槍魚，高木教授需要一個足夠大的魚缸來讓其游泳。魚缸需要具備改變流體速度的能力，還需要在魚身上貼一個抗阻板。高木教授相信，即使研究小組成功地進行了這樣的測試，結果也是不準確的，因此他研究了計算流體分析的應用。高木教授通過使用3D掃描儀掃描真正的金槍魚，創建了魚的虛擬模型。教授回憶說，給魚建模是一項艱巨的任務。它需要準備一個冷凍金槍魚，以防止腐爛，并將魚涂成白色，以盡量減少激光的二次反射。

在3D掃描儀上掃描的冷凍金槍魚

模擬金槍魚的推力與升力

       利用流體分析工具，高木教授計算了游泳距離34厘米（1.1英尺）長的金槍魚其阻力為5gf(0.355pdl)。這與一個5毫米（0.2英寸)直徑、15厘米(半英尺）長的圓柱體阻力相同。對于100厘米的金槍魚，阻力為400gf(28.4pdl)。這相當于30毫米（1.2英寸)直徑，15厘米(半英尺）長的圓柱體的阻力。這些分析結果表明金槍魚的阻力相對較低，無論身體大小。

        

        高木教授進行了一個模擬來解釋這個運動的尾巴。他通過錄制一段真實金槍魚的視頻，并模擬創建了一個運動金槍魚的平滑模擬表示具有周期函數的物體上每個點的運動。這使他能夠進一步研究藍鰭金槍魚的運動，由此對尾鰭的推進力、代替翼的胸鰭張開等各種狀態進行了分析。

尾巴運動的藍鰭金槍魚流體分析

        

       胸鰭對于金槍魚的游泳能力是必不可少的，因為它會產生升力。雖然金槍魚體內有氣囊，但這些囊并不能完全維持保持浮力所需的向上力量。這是原因之一。金槍魚必須不停地游動，是取決于他們類似飛機升降機的結構。高木教授的模擬表明，金槍魚胸鰭向外移動可以產生巨大的升力。此外，金槍魚還可以通過將胸鰭塞入身體兩側的凹陷中來簡化身體以減少阻力。尾梗是連接在金槍魚尾巴根部的凸起，起著小翅膀的作用。“對于像印度洋旗魚這樣的大型洄游魚類來說，兩層尾鰭就像雙翼一樣附著在一起。這非常有趣。當我從流體分析的角度來看生物外形演變背后的原因和目的變得顯而易見，“高木教授評論說。

通過分析揭示了運動背后的邏輯

        據高木教授介紹，流體分析產生的定量結果說明了為什么金槍魚在前進時會上下游動。這種特殊的游泳風格早已被科學家注意到，并且被認為此舉能夠提高效率。另一種理論提出，魚使用滑行來休息，這使它們能夠游得更遠。然而，在生物測量技術問世之前，這兩種理論都沒有得到證實。這項技術使實時測量成為可能。

        通過將傳感器附加到魚身上并監測它們的運動和環境條件。

        利用水深、身體傾斜程度和尾部振動計數的數據，高木教授進行了流體分析，并成功地證實了這一點效率理論。高木教授了解到，通過改變水深來推進，可以減少10~20%移動所需的能量。

從形狀解碼行為機制

       

        高木教授在對一只日本比目魚進行分析時首先對其生活行為研究產生了興趣。高木教授最初專門從事工程，之前從事模擬金槍魚漁業中使用的圓形圍網研究。這項工作的一部分涉及到對日本比目魚的行為進行數字化研究。

使用SC/Tetra對橄欖比目魚的分析結果

        利用流體分析計算日本比目魚的升力和阻力值，高木教授確定了日本比目魚穩定滑行所需的理想角度。他發現計算結果與觀測結果相匹配。高木教授注意到了這一點。他很欣喜地發現魚的行為符合他的計算結果。這就和車輛的設計方式一樣。

用流體分析代替實驗測試

      

        高木教授在他的研究中使用SCFLOW/SC/Tetra已經十多年了。該軟件具有易于操作和計算精度高。流體分析的使用一直很有吸引力，但高木教授認識到，他開發自己的工具需要大量的時間和成本。他發現SCFLOW/SC/Tetra在追求實用性，這對他的團隊來說是既能提高效率，又能研究機理。

        

       高木教授對SCFLOW/SC/TetraSC/Tetra的能力感到滿意。該軟件不僅易于使用，而且具有超高的并行效率以及計算速度。

        結果并包括優越的技術支持。高木教授認識到計算分析工具 可能無法完美地模擬自然界中發生的復雜物理現象，但可以用于研究趨勢。例如，分析方法可以用來比較兩個攻擊角度之間的阻力差異。

        

         “我們還沒有完全掌握這一操作。例如，當我們比較鯊魚和日本比目魚時，我們仍然在努力了解其皮膚表面發生的湍流。

        分析是棘手的，因為結果可能在很大程度上取決于所使用的湍流模型。從我們的硬件環境來看為研究做好了準備，提高了計算機能力，價格已經變得合理了。因為我們需要的設備在我們的研究預算之內，所以我們受益匪淺。

        獲得準確的實驗結果是極其困難的。我們只能從實驗測量中獲得近似值。仿真是唯一的方法為我們提供準確的結果。這種流體分析工具已經成為我們不可或缺的工具，“高木教授評論說。

更多地利用ICT信息和通信技術（信息和通信技術）促進漁業發展

       高木教授希望在漁業領域更多地利用信息和通信技術。在農業領域，ICT已變得更加普遍，用于環境監測和作物觀測。然而，將ICT技術應用于廣闊而深的水下環境并不是一項容易的任務。

使用SC/Tetra分析藍鰭金槍魚

左為近畿大學（農業系漁業生產系統實驗室）第二年博士生Shin Ogawa先生

右為近畿大學（農業系漁業系）講師Shinsuke Torizawa先生

        高木教授對魚類行為和圓形拖網模擬的研究被認為是有意義的技術進步。在未來，流體分析可以通過分析其行為模式和游泳速度，有選擇地捕獲特別有利大小的魚。制定漁業指導方針有望提高水產資源的供應效率，穩定生產。將ICT與漁業相結合的概念被高木教授和該領域的其他研究人員稱為“智能捕魚“。顯然，將信息和通信技術應用于漁業有很大的增長空間。