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魚鰭
來源:互聯網

魚鰭(英文:fish fins),是魚類適應水中運動即游泳和維持身體平衡的主要器官,是經過演化的附肢。其是附生于魚類身體表面的皮膜狀或硬棘狀結構,由鰭條、鰭棘和鰭膜等組成。魚鰭通常分布在魚體的背部、腹部、側面和尾部等不同位置,且不同部位的魚鰭有著不同的功能和特點。

魚鰭演化歷經三大階段,第一階段是原始脊索動物門中出現沿著背部和腹部中線發育的原始鰭或鰭褶,此時無輻狀骨結構;第二階段是無輻狀骨的原始鰭開始退化,出現完整的奇鰭和原始的偶鰭;第三階段是內骨骼輻狀骨和外骨骼形成的鰭條明顯出現,在鰭條形成之前,內骨骼和外骨骼有輕微的區別,隨著鰭條的逐漸形成,內外骨骼發育模式一致,且形成獨立的背鰭、臀鰭以及尾鰭。但是,并不是所有魚類都具有魚鰭(有些已退化)。

魚鰭總分兩大類,每類其下根據著生位置又分不同類型:一類是成對的叫偶鰭,沿身體兩側分布,亦稱側鰭,包括胸鰭、腹鰭;一類是成單的叫奇鰭,沿身體正中線生長,亦稱單鰭,包括背鰭、尾鰭和臀鰭。除此之外,還有僅見于少數魚類身上的脂鰭。

同時,魚鰭對人類具有科學研究、食品營養和技術應用等多方面的價值。具體表現在傳統美食、魚類營養價值開發、建筑設計、仿生技術,食品廢物再利等多個領域。然而,在開發和利用魚鰭的經濟價值時,也需要考慮到可持續發展和動物保護等問題,以確保資源的合理利用和生態環境的平衡。

演化歷史

根據化石記錄,類鰭結構最早出現在古老的無頜類中,奇鰭和偶鰭的起源相差超過一億年,在進化上奇鰭是偶鰭的先驅,且二者有著相似的形態學特征。最早的脊索動物門沒有成對的附肢。雖然魚鰭的確切起源尚不明確,但普遍認為四足動物的四肢是從魚鰭演化而來的。魚類的正中鰭或不成對鰭(奇鰭),據推測起源于從頭部后方延伸,環繞尾部并朝向肛門的連續組織褶皺。這一褶皺由平行的軟骨棒支撐。在發育過程中,支撐結構中的每一根軟骨棒分化為兩個部分:嵌入體壁的下部基部以及位于鰭褶內的上部輻狀部。從這一連續的鰭褶中,隨著輻狀部在某些區域的分布受限,其間的組織逐漸退化,進而演化出了背鰭、尾鰭和臀鰭。但是,并不是所有魚類都具有魚鰭。有些魚類的某些魚鰭已退化,如黃鱔就沒有胸鰭和腹鰭,而背鰭、臀鰭和尾鰭也已退化;鰻鱺就沒有腹鰭。某種魚類魚鰭又變多,如鱈魚就有二個臀鰭和三個背鰭。所以魚鰭的種類、數量和形狀,是魚類在億萬年中與自然界相適應的結果,也是適應自身生態特點的最好生存方式。

魚鰭演化與魚類演化

早期崛起與鰭無關

魚類作為最古老的脊椎動物,出現在5.3億年前的寒武紀早期。已知最早出現的魚類便已具備鰭這一器官,盡管鰭的數量不如現代魚類多。但即便最為古老和原始的無頜類動物也有尾鰭頭甲魚有一到兩個背鰭和一個臀鰭,還有一對原始的胸鰭。但當時它們并沒有下巴,所以嘴巴長得像個圓盤,屬于無頜總綱,只能被動地吸入或過濾海水泥沙中的微生物為食。

隨著不斷演化,魚類的鼻垂體復合體分離為鼻囊和垂體,為頜的發育提供了空間。生活在4.36億年前志留紀早期的奇跡秀山魚(Xiushanosteus mirabilis),是已知最早的有頜魚類,證明了以盾皮魚為代表的一批魚類將自己原本用于呼吸的鰓弓向前移動演化,形成了上下頜,使得它們可以主動出擊捕食,便于撕咬和咀嚼獵物。魚類得以迅速發展,在1000萬年間體型就從幾十厘米增大到幾米。其中,鄧氏魚(Dunkleosteus)的體長更是達到了11米,頜部的咬合力遠超霸王龍。進化的魚類也將無脊椎動物趕下寶座,成為新的海洋霸主。

內斗分化鰭自進化

魚類在海洋中稱霸之后,立即開始了更加激烈的內部競爭。到了盾皮魚綱時期,魚類的身體結構進一步完善,腹鰭也已進化出來。盾皮魚類逐漸演化成兩大類群,軟骨魚硬骨魚綱。軟骨魚骨骼中的鈣質含量較低,是現生鯊魚、鰩總目等水生動物的祖先。而硬骨魚骨骼中的鈣質含量高,全身骨頭變硬,硬骨魚的骨骼結構就能更好地支撐起體重,為日后登陸提供了重要基礎。

物競天擇魚鰭保命

距今約3.65億年前的泥盆紀晚期,第二次生物大滅絕的到來,導致地球氣候變冷,海洋退卻,陸地擴大,大部分魚類因缺水而死亡。所以,登陸就成為了魚類生存下來的唯一期望。水中有浮力,但到了陸地上,就要受到重力的影響。要想克服這個困難,魚類就必須適應環境的變化,把劃水的魚鰭演化成四肢來支撐自己的身體?,F代硬骨魚綱中的輻鰭魚綱,它們的魚鰭是由鰭條支撐的薄膜,鰭條就像自行車輪上的輻條一樣直接連在肩帶骨上。最終真正向陸地挑戰成功的是肉鰭魚總綱

魚鰭演化的三大階段

第一階段

原始脊索動物門,如文昌魚(Branchiostoma)中出現沿著背部和腹部中線發育的原始鰭或鰭褶,此時無輻狀骨結構。

第二階段

無輻狀骨的原始鰭開始退化,出現完整的奇鰭和原始的偶鰭,如??隰~。

第三階段

內骨骼輻狀骨和外骨骼形成的鰭條明顯出現,如七鰓鰻科(Lampetra japonicum)和盲鰻科(Myxiniformes),在鰭條形成之前,內骨骼和外骨骼有輕微的區別,隨著鰭條的逐漸形成,內外骨骼發育模式一致,且形成獨立的背鰭、臀鰭以及尾鰭。

類型和功能

每一類魚鰭都具備其自身獨有的一系列特征,且各自發揮著不同的功能。從生物學角度來看,魚鰭的機械結構和解剖學特性,很大程度上是為了滿足魚類在水中的游泳表現需求而形成的。這些特性不僅影響著魚類的游動方式,還對其在水中的生存、捕食、逃避天敵等行為起著關鍵作用。

類型

胸鰭(Pectoral Fin)

胸鰭是成對的鰭,通常位于鰓的后方。在進化歷程較早的魚類物種中,胸鰭往往位于魚體較低的位置,而在更為現代的魚類中,胸鰭位置則相對較高。

腹鰭(Pelvic Fin)

腹鰭最初位于魚體后部(腹部位置),是成對的鰭。在鰻魚及鰻形魚類中,腹鰭缺失或退化。在一些底棲魚類中,腹鰭演變成了抱握器官。腹鰭著生的位置隨不同的魚類而異,軟骨魚類的腹鰭一般位于泄殖腔孔的兩側,形狀和胸鰭相似而稍小;硬骨魚的腹鰭位于軀干腹側的叫腹鰭腹位。此外,在魚的所有鰭中,腹鰭的位置變化最為多樣,它們可能位于魚體前部,在胸鰭下方的胸部(胸位),甚至在少數情況下,位于兩鰓蓋之間的喉部(喉位)。

背鰭(Dorsal Fin)

背鰭位于魚體的頂部或背部,它們用于魚的急停和轉向。背鰭呈尖狀或脊狀三角等形態。根據背鰭的結構,可將其細分為三種:

近端背鰭

離魚頭最近的背鰭,通常位于魚背部靠近鰓的位置

中央背鰭

位于魚體中部,一般在魚的背部。

遠端背鰭

離魚頭最遠的背鰭,常位于魚尾處。

但部分魚類的中央背鰭和遠端背鰭融合,會形成連續的鰭;而不同魚類背鰭形態和數量也各異,比如鯊魚有一個巨大的三角形背鰭;硬骨魚綱則有兩個較小的背鰭。在硬骨魚中,背鰭的靈活性相當高,可以豎起、放下或波動。在鰻魚及鰻形魚類中,背鰭可能與尾鰭的上葉相連。

臀鰭(Anal Fin)

臀鰭是單個、位于魚體中軸線上的鰭,見于魚體下側,在腹鰭和肛門之后。

尾鰭(Caudal Fin)

尾鰭即魚尾的鰭,位于脊椎動物體軸的最末端區域,在游泳時用于推動身體向前移動。有三種類型:

原尾型尾鰭(Protocercal Caudal Fins)

非常原始的尾鰭類型。它們與脊柱呈一條直線,呈 V 字形,左右葉等大且尖銳。

歪尾型尾鰭(Heterocercal Caudal Fin)

這種類型的尾鰭特征是脊柱延伸至鰭的頂部之外。其尾鰭是不對稱的,上葉較大。其延伸部分被稱為 “鰭葉”,它比鰭的下部(即 “脊索” 所在部分)更長。這些尾鰭存在于板鰓亞綱魚類(軟骨魚)和一些原始類型的硬骨魚綱中。例如,鯊魚就長有歪尾型尾鰭。

正尾型尾鰭(Homocercal Caudal Fin)

這類尾鰭大多見于高等真骨下綱,它們外觀上對稱(內部不對稱),上下葉大小相等。長有正尾型尾鰭的魚類包括大多數硬骨魚,比如鱒魚三文魚。

脂鰭(Adipose Fin)

脂鰭是一種由皮膚和脂肪構成的鰭狀突起,與一般具有鰭條和鰭棘的鰭極不相同,內部沒有任何起支撐作用的鰭條。僅見于少數幾類魚中,如燈籠魚科、胡瓜魚科鮭科魚類,以及部分鲇形目。它位于魚體上表面,在背鰭與尾鰭上葉之間。部分魚類(如鮭魚、鯰魚)的脂鰭可能具有感知接觸、聲音及水流壓力變化的功能。

功能

水中動力源

魚長這些鰭,首先是為了在水里活動。大多數魚都是通過向兩邊搖擺身體來游動,靠從頭至尾的肌肉收縮產生向前的沖力,從而推動身體前進。1926年,Breder根據魚類的運動形態以及身體和魚鰭的協同運動方式,將魚類的游動方式分為三類,分別為鰻鱺模式、尾鰭擺動模式和鰭科模式。1978年,Lindsey在此基礎上把魚類游動推進方式劃分為兩大類。大多數的魚類通常是通過扭動身體并同時擺動尾鰭產生推進力的方式來向前運動的,這種推進模式被稱為BCF運動模式;另外一些魚類是通過中間鰭和對鰭的運動來產生推力的,這種推進模式被稱為MPF運動模式。魚身體兩旁強健的肌肉有時可占魚體重的75%。

櫓舵槳和平衡器

魚的背鰭和臀鰭在行動中主要起穩定和平衡作用,尾鰭與尾部肌肉相結合,起推動和掌握方向的作用;胸鰭和腹鰭則具有保持魚體平衡和轉向、調整升降的作用。魚的尾鰭相當于船的櫓,也有舵的作用。魚的胸鰭和腹鰭有點像船上的槳,胸鰭主要用來轉換方向,腹鰭主要保持身休平衡。魚的背鰭和臀鰭似平衡器,主要起保持身體平衡的作用,防止身體傾斜和搖擺。如果將背鰭和臀鰭綁起來,不讓它們發揮作用,魚就會“翻船”,整個身體因失去平衡而顛覆。

特化功能

魚鰭會因魚類各自的生活環境和習性不同而發生變態,成為特殊的功能。有的魚背鰭很發達,有的還有尖刺,比如鱖魚的背鰭著生鋒利的莓刺,可用以御敵和輔助捕食;生活在山溪急流的吸腹鰍,胸鰭、 腹鰭左右愈合,特化成吸盤狀,可用以緊貼在巖石上,以防被急流沖走;海洋中的旗魚科,背鰭特別發達,象是豎起的風帆,可在水面乘風緩行;鯽魚前一個背鰭前移到頭部,特化成吸盤,常吸附到大魚或輪船之下免費旅行;深海中的姜太公安康魚,它的背鰭前面鰭條特化成釣竿,末端還長出象魚餌的肉瓣,以引誘釣取小魚為食。

結構特點

魚鰭由一系列骨質或軟質的鰭條構成,這些鰭條由一個中央骨軸支撐。鰭條細長,通過關節與中央骨軸相連,這使得它們能夠活動和彎曲。不同種類的魚,其鰭中鰭條的數量和排列方式可能會有所不同。鰭條在魚類體內充當本體感覺感受器、為魚鰭提供支撐,使魚類能夠在水中游動和轉向。魚鰭的化學成分大致與骨骼相似,魚鰭中的棘刺相當于硬骨,鰭條(特別是鯊魚魚鰭的翅絲)和軟骨組織差不多,富含彈性蛋白。魚鰭約占魚體重量的1-3%。不管硬骨魚綱或是軟骨魚類的鰭都由兩部分組成,一部分是鰭柄,另一部分是鰭條,鰭條間折疊成傘狀,上面復蓋著薄膜。

胸鰭和腹鰭

總是左右成對,就像一對拐棍,幫助魚體保持平衡。如果把成對的鰭剪掉一個,魚體不能保持平衡,就不能直線前進。胸鰭和腹鰭都附著于環狀軟骨或硬骨上,這些骨頭分別相當于人類的肩骨或骨盤部分(魚鰭和高等脊椎動物四肢之間具有相似性)。

尾鰭的形狀與構成

尾鰭由背側的上葉(上鰭葉)和腹側的下葉(下鰭葉)組成 。尾鰭的基本結構是脊椎動物的一個基本鑒別特征,在頜的形成過程中就已出現,同時存在于無頜類和有頜類動物身上。

新月形尾鰭(Lunate Tail Fin)

這種尾鰭的特征是呈新月狀外觀。它呈月牙形,上葉彎曲,常見于游泳速度快的魚類,比如鮪魚鯖魚,其形狀可能是歪尾型,也可能是正尾型。

叉形尾鰭(Forked Tail Fin)

這種尾鰭的特征是呈分裂狀或叉形外觀,鰭的頂部和底部被分隔成兩個明顯的葉瓣。

圓形或扇形尾鰭(Round or Fan-Shaped Tail Fin)

這種尾鰭的特征是呈圓形或扇形外觀,鰭的上部和下部大小大致相等。 長有圓形或扇形尾鰭的魚類包括金魚和神仙魚。

魚鰭的再生

動物的某些組織和器官,在受到損傷或失掉以后,會重新長出來,這種現象叫做“再生”。魚鰭就具有再生能力。而且剪去鰭基的尾鰭長得比剪去鰭尖的還快,因為魚鰭的基部是生出不久的新組織,細胞新陳代謝作用強,因此再生能力也強:相反,魚鰭的尖端是生出已久的老組織,新陳代謝作用就比較綏慢,因此再生能力就弱。

魚鰭病害

爛鰭病是一種常見的細菌性疾病,會影響魚的鰭。它由幾種不同的細菌引發,其中包括氣單胞菌屬假單胞菌屬和弧菌屬的細菌。爛鰭病的癥狀包括魚鰭邊緣破損或呈撕裂狀、魚鰭發紅或發炎,以及鰭組織缺損。在嚴重的情況下,魚鰭可能會完全爛掉,魚游動也會變得困難。爛鰭病可由多種不同因素引發,包括水質不佳、養殖密度過大以及魚鰭受傷等。為預防爛鰭病的發生,保持良好的水質并為魚類提供一個清潔、健康的生存環境十分重要。

相關理論

魚鰭的起源始終吸引著生物學家和古生物學家的關注,因為它與深入了解脊椎動物的進化歷程相關 。但魚鰭自身發育的確切機制和途徑仍是一個頗具爭議的領域。關于魚鰭起源的主流理論如下:

鰓弓理論

德國解剖生物學家Gegenbaur在1870年提出提出,該理論認為成對的魚鰭是由鰓弓演變而來的改良結構。鰭帶相當于鰓弓,而鰭褶及其骨骼則對應于鰓蓋或鰓間隔。然而,這一理論缺乏形態學、胚胎學和古生物學證據的支持。截至2017年,有遺傳分析結果表明,軟骨魚類鰓弓和偶鰭發育有相同的分子機制,揭示了鰓弓與鰭及人類四肢之間可能的演化關系,說明需要重新考慮此起源學說。

外鰓理論

按照 Graham Kerr 的觀點,成對的魚鰭及其相關骨骼是從一些幼體形態中可見的臨時性外鰓進化而來。該理論同樣缺乏大量的支持證據。

鰭褶理論

該理論最初由鮑爾弗(Balfour)和瑪格麗特·撒切爾(Thacher)提出,隨后得到了其他脊椎動物形態學家的支持。它認為,成對的魚鰭起源于從鰓裂后方身體兩側延伸至尾部的連續側鰭褶。在原始形態中,這些側鰭褶前部相互分離,但向后逐漸融合,形成腹鰭褶。眾多古生物學和胚胎學研究結果為這一理論提供了支撐,例如,成對魚鰭(偶鰭)與不成對魚鰭(奇鰭)之間存在相似的基本骨骼結構,這表明它們有共同的起源;在某些板鰓亞綱動物的胚胎早期,可見一系列連續的肌帶,而最終僅形成獨立成對魚鰭和不成對魚鰭的那些肌帶保留了下來;已滅絕的泥盆紀棘魚化石顯示,其排列著成排的小型輔助棘狀鰭,這暗示著它們可能是鰭褶的遺跡;已滅絕的裂口鯊展現出寬闊的胸鰭和腹鰭,由平行的軟骨棒支撐,這表明其起源于原始的鰭褶;像柵魚這樣的化石,在胸鰭和腹鰭之間有較小的棘刺和小鰭,進一步佐證了連續鰭褶這一概念。

鰭棘理論

近期研究表明,棘魚綱所謂的 “幾對鰭”,實際上可能是防御性棘刺的一種特化增殖。隨著時間推移,這些棘刺可能支撐起膜狀結構,進而演化出獨特的胸鰭和腹鰭。此外,由于尚未發現具有完全連續鰭的原始魚類化石,一些研究人員放棄了鰭褶理論,轉而提出鰭很可能是從各種甲胄魚身上成對或不成對的正中棘演化而來。

甲胄魚理論

部分甲胄魚身體兩側有肉質葉狀突起,這些突起可能是胸鰭的前身。另外,一些甲胄魚擁有真皮棘,類似棘魚類身上額外的鰭。該理論認為,成對鰭(以及后來的四肢)的演化譜系可追溯至這些甲胄魚祖先。

相關價值

食用經濟價值

魚鰭可以進行加工處理。對于較大的魚類也可刮掉魚鰭,然后分段按質論價出售;有的魚鰭,如鯊魚的魚鰭可以加工成魚翅。在中國傳統飲食文化中,魚翅(鯊魚魚鰭的制品)作為滿漢全席 “海八珍” 之一,是富貴的象征。一道魚翅菜肴價格因檔次、級別差異極大,在廣東省最高價格可達4000至5000元。壽司店里常常見到的側緣,實際上就是魚鰭組織。其制法多種多樣,如用比目魚的魚鰭做壽司,或煮湯,或燉熟就米飯、稀飯,味道鮮美。既是男士的下酒小吃,也是女性同胞的美膚佳肴。

營養價值開發

魚鰭中含有防御感冒病菌,防止皮膚、頭發老化不可缺少的元素。魚的背脊到魚鰭的部位,富含一種名為膠原蛋白的特殊蛋白質。膠原蛋白能使細胞與細胞間結構緊密,發揮著如水泥般的強化組織的作用,為此又稱之為細胞間物質。若體內膠原蛋白不足,細胞與細胞間的粘結變得脆弱,就容易引起感冒等病癥。膠原蛋白不足,也會使皮膚組織的細胞間聯結松散,皮膚干燥粗糙,角質化迅速加快。

魚鰭是現成的膠原蛋白補給源。如比目魚鰭富舍膠原蛋白,還能保護毛發,令頭發恢復光澤。針對不同種類鯊魚鰭的研究顯示,其具有一定營養價值。研究人員對絲鯊(Carcharinus filciformis)、錘頭雙髻鯊(Sphyrina lewini)、大青鯊(Prionace glauca)、長鰭真鯊(C. longimanus)和長尾鯊屬(Alopaspelagicus)的魚鰭進行加工處理后發現,錘頭鯊的加工魚鰭產量顯著更高,達17.6%,優于其他四種鯊魚。此外,還對加工后的魚鰭干物質、灰分、蛋白質、脂肪、糖原非蛋白氮、氨基酸譜和熱值展開了開發研究。

分化再利用

從魚鰭中獲得的成纖維細胞樣細胞可以分化為各種類型的細胞,如骨骼肌樣細胞、神經絲和脂肪細胞。這表明通常作為食物廢物丟棄的魚鰭實際上可以應用于清潔肉類技術。例如,可以利用魚鰭中的細胞進行培養和分化,為食品生產提供新的資源和方法。

衍生價值

魚鰭梁橋

多幅板拉橋在結構形式的發展進程中,誕生了一種新的設計——將所有拉索全部用混凝土板包裹起來,在橋墩頂部形成一個混凝土三角形構造。從斜拉橋結構體系的發展脈絡來看,將這類橋梁統一歸納為三角肋板式斜拉橋,簡稱為魚鰭梁式橋。首先建成這種橋型的應推美國的Barton Creek Boulevard橋,建于1986年。設在橋寬中線上的單索面斜拉索全部用泥凝土板包被,為了美觀,板的底部作成一段弧形,使它更像一條魚的鰭。

魚鰭建筑

阿拉伯聯合酋長國Al Hikma超高層建筑魚鰭造型鋼結構設計與優化是該項目的一大特點和難點。其單根高度17m,最寬處7.245m,重約4t。從原設計到最終設計,經過了反復計算和優化,包括鋼結構截面形式、連接件以及魚鰭整體形狀等方面的設計和優化,設計過程相當困難和復雜。這顯示了魚鰭造型在建筑設計中的獨特價值,為建筑增添了特色和藝術感,同時也需要投入大量的技術和資源進行設計與建造。

船舶造型設計優化

以魚鰭作為仿生對象,實現減小艦船的搖擺艦船的優化設計,從而改善航行狀態。如在船底兩側安裝鋼鰭,利用電子計算機自動調節,當鋼鰭上下擺動,擺動所產生的作用力正好同輪船搖擺的方向相反,就可以大大降低輪船的搖擺幅度;當鋼鰭又改成前后擺動,以增加輪船行駛的速度。又如根據魚的尾鰭創造的魚尾推進器。它是用一種擺動板做成的水泵,利用機械裝置使它來回擺動,以代替螺旋槳,這樣船舶就能順利地在淺水中航行。

仿生機器人

“波浪魚鰭” 是一款適用于水下作業的仿生機器人。FESTO公司的仿生學團隊受到魚鰭運動的啟發,研發出了這款機器人?!安ɡ唆~鰭” 可以像真的魚兒那樣在水中自在穿梭,并且能夠通過發射超聲波來識別障礙物,這些特性使它非常適合在水管等有液體的管道中作業。

仿生機器人魚

新型無束縛機器魚:基于對活魚尾鰭具有柔軟性、靈活性和主動變形的觀察,提出了一種新型的具有主動變形尾鰭的仿生機器魚。

模塊化仿生機器魚:提出了一種具有高保真仿生胸鰭和新型多自由度推進機制的模塊化機器人魚。

IPMC鰭驅動的仿生魚:根據魚胸鰭的結構和游泳機制,設計了一種使用 IPMC 材料的仿生胸鰭,該胸鰭在低電壓下能夠靈活彎曲和擺動,具有結構簡單、無噪聲和低功耗的優點。

參考資料 >

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