長期以來，魚類的集群行為一直受到生物學家、物理學家和數學家的關注。這種奇特的自然現象存在著兩個未解之謎。第一，是什么原因使得成百上千的魚聚集在一起？第二，魚如何在快速運動中始終保持穩定的隊形？目前，人們推測魚類的聚集原因大致有覓食、繁殖、防衛和高效推進等幾種可能。同時，人們一般認為魚群的形成和維持可能需要復雜的生理感知和主動控制機制。 

　　關于第二個問題，著名的應用數學家詹姆斯·萊特希爾（James Lighthill）曾提出過一個完全不同的答案。他猜想魚群的形成與維持可能并非依靠精確的主動控制而是被動地借助了遠程的流體力學相互作用力。他還將這種作用力與晶體結構中微粒間的相互作用力相類比。這個猜想自從70年代提出后并沒有引起太多的關注。最近，“萊特希爾猜想”又重新進入了科學家的視野。近期的一些數值模擬和實驗研究均表明，前后兩個直線排列的自主推進體僅依靠流體力學相互作用就可以自發形成穩定的間距。但是，在這些研究中，物體的自主推進均由垂直于前進方向的振蕩驅動，而與魚類的擺動式推進相差甚遠。同時，這些研究只考慮了前后兩個自主推進體的直線排列情況。 

　　近日，中科院力學所的科研人員在《皇家學會界面雜志》(Journal of the Royal Society Interface) 發表了關于“萊特希爾猜想”的最新研究成果（論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2018.0490）。他們通過數值模擬，研究了由多個仿魚式自主推進體組成的 “仿生魚群”。研究有以下兩點重要發現。首先，對于2，3，4條仿生魚組成的魚群，一共發現了14種自發形成的穩定隊形（如圖1所示）。其次，在所有的穩定隊形中，并列式隊形所能達到的推進效率最高。后一個發現質疑了流體力學界廣為流傳的 “鉆石型（菱形）隊列效率最優”的論斷。上述發現的生物學證據可以在最近的淺水槽魚群實驗中找到：1) 圖1中的某些穩定隊形和一些實驗中經常出現的魚群隊形完全一致； 2) 在迫切需要節約能耗的實驗條件下（如魚在高速流動中保持固定位置），魚群僅呈現并列式隊形。  

　　圖1. 由2，3，4條仿生魚組成的魚群自發形成的穩定隊形（其中右下角為鉆石型（菱形）隊列）。圖片來自原論文（Dai et al., J. R. Soc. Interface 15: 20180490）。 

　　本項研究闡明了流體力學在魚群自組織行為中的關鍵作用。研究成果為“萊特希爾猜想”提供了有力證據，還可能為水下仿生航行器的編隊控制提供全新策略。該研究由非線性力學國家重點實驗室完成（第一作者為戴龍珍博士，通訊作者為張星研究員），研究得到了國家自然科學基金面上項目和中科院戰略性先導科技專項的資助。