肌电测量技术和鲫鱼C形起动过程中肌电信号测量初探

鱼在水中游动时,骨骼肌在中枢神经系统的控制下进行主动收缩,将力和位移传递给鳍和皮肤等执行器官,再通过执行器官与水进行力的相互作用和能量的交换后推动鱼体自身运动.为研究鱼在不同运动过程中肌肉活动的方式与强度,本文引进肌电图测量术(EMG).将表面绝缘的不锈钢探针植入鲫鱼的红肌内,肌电信号通过自主设计制作的肌电放大器放大,由计算机记录,用以表征鲫鱼在C形起动过程中转弯一侧的红肌活动的持续时间及强度.本文着重阐述了肌电测量技术,肌电实验的手术操作过程,并通过对肌电信号的测量结果进行定量分析,得到了鲫鱼C形起动过程中转弯侧红肌基本同时开始活动,其活动时间大致相同,以及躯体前端红肌活动最为剧烈的结论.     

鲫鱼尾鳍的黏弹性力学性质测量

鱼类在游动过程中表现出高效率和机动灵活的特点。鱼类通过拍动鱼鳍获得动力,并对游动过程进行控制,因此鱼鳍的力学性质影响着鱼类在游动中的表现。在以往的研究中,研究者多将鱼鳍假设为弹性材料。本文通过单轴拉伸后的松弛实验测量了鲫鱼尾鳍的黏弹性力学性质。在松弛实验中,拉力随着时间的增加而逐渐减小。在实验的前100s时间内,拉力衰减至最大拉力的75%。本文采用五参数的线性黏弹性模型对松弛实验的数据进行了拟合。基于拟合得到的模型,发现在快速起动及巡游过程中,鲫鱼尾鳍的黏弹性性质能够增加鲫鱼尾鳍的表观刚度,同时在巡游过程中,由于黏性引起的能量耗散非常小。     

基于浸入边界法的鱼体自主游动的数值模拟

对游动或飞行生物自主运动特性的深入研究,可促进仿生学的进一步发展。本文以"C"型游动鱼作为研究对象,建立了自主游动的柔性鱼模型。此模型较为真实地反映了鱼自主游动时鱼体内力(由鱼体肌肉收缩提供)、鱼体运动和外界流体之间的耦合作用。基于传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界法对鱼的自主游动进行了数值模拟。分析了鱼自主游动启动阶段和巡游阶段流场特性及鱼体运动特征。模拟结果表明,受到鱼体自身组织结构和外界流场作用,鱼游动时通过呈"C"型和类"S"型的不断转换,以获取能量,实现鱼体自主游动。     

鱼类巡游中的活体肌肉力学性能预测

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.      

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FISH MUSCLE IN VIVO DURING STEADY SWIMMING

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

描述鱼鳍材料松弛特性的分数Zener模型

鱼鳍在游动中起到了推进和控制的作用, 研究鱼鳍的力学性质对研究鱼类游动中高效率的来源具有重要意义. 本文对鲫鱼尾鳍鳍条进行了松弛实验, 松弛时间为300\,s,力随时间表现出较明显的衰减, 表明鱼鳍具有黏弹性性质. 采用分数Zener模型拟合实验数据, 并将拟合结果与3参数和5参数线性模型拟合结果比较, 发现3参数线性模型拟合效果较差, 分数Zener模型和5参数线性模型都较好地拟合了松弛曲线, 但分数Zener模型具有使用参数更少的优点.      

斑马鱼C型起动中动力学特性的活体实验研究

提出了一种从鱼类自主游动的运动学实验数据出发推算其动力学特性的实验研究方法。该方法基于变形体动力学方程,不仅可以计算出变形鱼体的整体转动角速度以完善其运动学数据,还可以计算出作用在自主游动的鱼体上的流体合力和流体合力矩,进而分析鱼体的力能学特征。本文运用此方法研究了斑马鱼的两种典型C型起动,对比分析了它们的运动学及力能学特征。结果表明,在相仿的C型弯曲变形下,逃逸型C型起动与非逃逸型C型起动相比,前者推力较大,导致其在前进方向上的质心速率较大;前者侧向力较大,导致其转弯半径较小;前者转矩较大,但因在起动中后期的S型摆动产生了反向转矩,最终导致转动角度小于后者。通过对两种典型C型起动的实验研究发现,斑马鱼会因不同的运动需求而表现出不同的机动性能。     

基于序列图像的鱼游运动机理分析

自上世纪60年代起,鱼游运动机理分析一直是研究的热点之一。本文提出了一种基于序列图像的鱼游运动机理分析方法,从图像处理的角度来分析鱼游运动机理问题。该方法首先通过图像差分得到鱼体的轮廓,然后利用能量函数自动抽取游动鱼体的体干曲线。在此基础上,通过样条曲线参数拟合进一步得到鱼体游动时体干曲线形变的准确数据和各种运动学参数。以黑鳍鲨稳态游动为例,本文还建立了鲹科模式游动的运动学参数模型并讨论了模型中参数对鱼体游动的影响。实验表明,相比于传统方法,本文所提出的方法无需对实验环境和对象加以限制,可以自动获得鱼类游动时的体干曲线形变的准确数据,从而据此建立更加真实有效的鱼游运动学参数模型。     

一种用于测量鱼体材料粘弹性性质的弯曲变形试验机

研究生物材料力学性质是生物力学的重要内容之一.测量材料粘弹性性质的传统方渗是单轴拉伸松弛或蠕变实验.与传统方法不同,为了测量鱼体材料粘弹性性质,本文设计了一种用于测量鱼体材料性质的弯曲变形试验机,通过模拟鱼体摆动,可以测得鱼体材料的储能模量、耗散模量、滞后相位角等参数.通过弹性体(铜片)和粘弹性体(橡胶)材料实验验证了...     

鳗鲡模式游动的鱼体变形曲率波的传播特性研究

将鳗鲡模式游动的七鳃鳗简化成材料性质均匀的变截面黏弹性梁,通过数值方法求解鱼体在主动弯矩波(作为激励的驱动波)的驱动下匀速游动时身体变形曲率波的传播特性.结果表明,当主动弯矩的驱动频率高于鱼体结构基频时,可以观察到曲率波相对于驱动波存在相位滞后,且越靠近尾部滞后现象越明显,这意味着曲率波的波速小于驱动波的波速,也间接地验证了前人的实验结果.通过参数研究发现,鱼体变形曲率波与驱动波的波速比与表征流体黏性作用的雷诺数无关,而与表征驱动波和鱼体材料属性的无量纲激励频率、激励波长及鱼体黏性系数有关.对于鳗鲡模式游动的鱼类,曲率波与驱动波的波速比随着无量纲激励频率和波长的增大而降低,随着鱼体黏性系数的增大而增大.进一步研究发现,通过小扰动分析得到的组合相似性参数Π可以统一描述波速比与激励参数、材料参数之间的关系.     

水下爆破冲击波作用下典型鱼类临界安全波压模型研究

为了探究水下爆破冲击波对鱼类损伤的影响,首先通过理论分析探讨了水下冲击波在鱼体的传播过程和对鱼鳔的损伤机理,构建了典型有鳔鱼类临界安全波压模型,并结合实测数据、参考相关文献,确定了模型参数。结果表明,典型有鳔鱼类临界安全波压与鱼体长呈线性关系。其中,水介质和鱼鳔壁介质的波阻抗比、鱼鳔宽度因数、鱼鳔壁厚因数、鱼鳔径向临界拉应力因数和鱼鳔形状因数分别为0.3～2.0、0.04～0.09、0.002、60和0.6～1.1。然后,根据典型有鳔鱼类临界安全波压模型参数,得到最大和最小鱼类临界安全波压模型分别为p_ic,max=30L和p_ic,min=3L(p_ic,max的单位为kPa,L的单位为cm)。最后,通过鱼类损伤情况的实测数据和文献数据,验证了鱼类临界安全波压模型。结果表明,不同体长的鱼类在不同冲击波压力时的受损状况分布,基本与鱼类所能承受的最大和最小的临界安全波压范围符合。并根据鱼类临界安全波压与体长的关系,划分了死亡区、存活有影响区和存活无影响区。     

Optimization of the forearm angle for arm wrestling using multi-camera stereo digital image correlation: A preliminary study

This study analyzes the function of different muscles during arm wrestling and proposes a method to analyze the optimal forearm angle for professional arm wrestlers. We built a professional arm-wrestling platform to measure the shape and deformation of the skin at the biceps brachii of a volunteer in vivo during arm wrestling. We observed the banding phenomenon of arm skin strain during muscle contraction and developed a model to evaluate the moment provided by the biceps brachii. According to this model, the strain field of the area of interest on the skin was measured, and the forearm angles most favorable and unfavorable to the work of the biceps brachii were analyzed. This study demonstrates the considerable potential of applying DIC and its extension method to the in vivo measurement of human skin and facilitates the use of the in vivo measurement of skin deformation in various sports in the future.     

Swimming performance of a biomimetic compliant fish-like robot

Digital particle image velocimetry and fluorescent dye visualization are used to characterize the performance of fish-like swimming robots. During nominal swimming, these robots produce a ‘V’-shaped double wake, with two reverse-Kármán streets in the far wake. The Reynolds number based on swimming speed and body length is approximately 7500, and the Strouhal number based on flapping frequency, flapping amplitude, and swimming speed is 0.86. It is found that swimming speed scales with the strength and geometry of a composite wake, which is constructed by freezing each vortex at the location of its centroid at the time of shedding. Specifically, we find that swimming speed scales linearly with vortex circulation. Also, swimming speed scales linearly with flapping frequency and the width of the composite wake. The thrust produced by the swimming robot is estimated using a simple vortex dynamics model, and we find satisfactory agreement between this estimate and measurements made during static load tests.