从生物到机械——鱼类仿生力学与仿生机器人
2016-03-24

鱼类拥有柔软的身体,兼具卓越的游动能力,且不会产生噪声和空泡,因此为未来高效能、高机动、低噪音的仿生水下航行器的设计提供了大量新的思路。

国际交叉科学研究院、机械工程及自动化学院的文力副教授与普林斯顿大学机械与航空系Chuck Witt博士、哈佛大学生物力学系George Lauder教授合作,利用数字粒子图像观测技术,探索了鱼类的快速启动过程。研究发现,蓝鳃太阳鱼等多种鱼类在快速启动时整个身体可以在很短的时间(60ms)内形成一个C型,并产生三个主要的涡环结构,从而逃逸并躲避捕食者。为进一步阐述其运动机制,研究人员利用一块柔性薄膜作为鱼体的简化模型,通过在薄膜重心处施加平移和偏转激振运动,从而塑料板在水中可以模拟鱼体快速启动时身体的运动。在最优的薄膜的弹性模量以及激振参数下,薄膜的运动轨迹与活鱼做快速启动时几乎吻合,并且形成与活体生物几乎相同的涡环结构。

文力与其研究生任子宇还从一个新的视角揭示了尾鳍在鱼类游动时发挥的作用。研究组仿照蓝鳃太阳鱼尾鳍利用快速成型技术制作了一台机器模型,能够精确模拟真鱼尾鳍和尾柄的各种三维运动。通过对仿生机器模型的力与数字粒子图像观测发现,尾鳍可以很好地实现对射流的控制,从而控制推进力、升力与转矩的大小和方向,其作用机制类似于一个柔性的“矢量喷管”。该项研究结果对鱼类进行高机动性运动以及姿态控制提出了新的视角,也为未来的仿生软体水下航行器奠定了力学基础。

快速启动的相关研究成果论文已于2015年4月发表在国际著名期刊Integrative and Comparative Biology (Q1,IF=2.969)上[1]。仿生尾鳍三维运动的研究成果论文即将在2015年10月机器人领域顶级会议(IROS)上报告[2]。

文力,机械工程及自动化学院,副教授,卓越百人,E-mail:liwen@buaa.edu.cn

参考文献
[1] Witt W C, Wen L, Lauder G V. Hydrodynamics of C-Start Escape Responses of Fish as Studied with Simple Physical Models[J]. Integrative and comparative biology, 2015: icv016.
[2] Ren Z. Y, Wang T. M, Wen L. Hydrodynamic functions of a robotic fish caudal fin: effects of kinematics and flow speed[C]. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Hamburg, 2015. In press.



图 1 蓝腮太阳鱼快速启动时产生的三个涡环结构(图片来源:Integrative and Comparative Biology)



图 2 蓝鳃太阳鱼尾鳍三维运动时产生的涡环结构以及由此引起的俯仰机动运动