斑马鱼直线加速游动试验研究

海洋生物低噪音、高速、髙效游动能力是任何人造水下航行器所无法比拟的. 借助时间解析粒子图像测速技术对斑马鱼直线加速游动过程进行精细流场测量, 对其运动学行为特性和动力学机理进行分析. 同时应用双正交分解对涡量场进行模态分解, 获取流场的时间演化和空间分布特征. 从流动机理的角度探究斑马鱼游动过程的流动结构特征及旋涡动态演化特性. 试验结果表明: 流动可视化展现了整体涡流尾迹的结构分布,方便探究运动特性与旋涡尾迹之间的耦合关系. 斑马鱼从运动开始时体干保持着鲹科式的运动规律, 游动时的动能主要由前几次大幅的摆尾过程提供, 后续的摆尾主要调整方向及姿态. 两次不同方向的摆尾动作会形成一对方向相反的旋涡, 并在时序下旋涡逐渐脱落. 同时尾流的涡量变化在一定程度上反映鱼体的游向的变化. 基于双正交分解分解后的时间演化结果验证本次试验在时间上涡量场具有合理的恒定幅度, 空间分布表明低阶空间模态表征斑马鱼游动的主要涡流动结构, 高阶空间模态表征涡流动的细节结构. 研究鱼类游动时的摆尾推进机制与动力学特性能够为高效率的仿鱼类推进装置设计提供一定科学参考.      

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。     

智能机器鱼游动机理与一种设计理念

通过分析自然界鱼类游动特点和有趣的规律等,提出一种智能机器鱼设计思想.以超磁致伸缩智能材料为例,研究和讨论了无线控制仿生鱼游动机理和方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,以及外部磁场模拟鱼神经,从而建立了该问题的一种力学控制模型和系统.通过研究外磁场频率与机器鱼尾摆动产生驱动力的关系,发现存在最佳的外磁场频率.这样利用调整外磁场频率,实现控制鱼尾摆动,即机器鱼最好的游动状态.同时分析鱼尾形状,材料参数,流场和外环境因素等对机器鱼游动的影响.研究结果和方法为机器鱼的设计和控制提供了依据和的设计理念.     

软体机器人结构机理与驱动材料研究综述

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景. 智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能. 介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人. 从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人. 还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型. 介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.      

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

复杂流动中的智能颗粒游动策略研究进展

智能颗粒定义为可以根据环境的变化而主动调整自身在流场中运动的颗粒, 一般用于描述微小的游动物体, 如微生物、浮游生物和微纳机器人. 由于颗粒运动学特性和流场环境的复杂性, 探索智能颗粒的运动策略是一项具有现实意义与挑战性的研究. 近期强化学习算法被应用于智能颗粒的运动策略研究, 并取得一定进展. 本文将讨论强化学习在智能颗粒研究中的应用, 并介绍浮游生物运动策略的相关研究进展, 包括适用于海洋浮游生物的游动颗粒模型, 以及强化学习的基本原理和此类问题的研究框架. 海洋浮游生物的昼夜垂直迁移对其生存和繁衍至关重要, 生物学研究表明某些浮游生物可感知周围的流场信息, 但能否利用这些信息提高垂直方向游动效率仍是一个未知的问题. 基于这一背景, 相关研究考虑了重力沉降和颗粒形状对浮游生物垂直游动策略的影响. 研究发现细长的颗粒能够更加高效地垂直向上运动, 而重力沉降则导致智能游动策略发生较大变化. 在此基础上, 后续研究进一步考虑了局部流体信号的作用, 并讨论了基于局部信息在全局坐标系中定向运动的可能性. 当颗粒只能感受到局部流体信号时, 必须破坏动力学系统的对称性, 否则颗粒无法学到有效的垂向游动策略. 此外, 研究还发现强化学习能够利用流体信号背后的机制, 得到颗粒在二维定常流动和三维非定常湍流中高效垂直运动的策略. 这些智能游动策略依赖于本质的物理规律, 因此这些策略在更加复杂或真实的流动中也可能有优秀的表现.      

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等.同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81      

基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用

微生物是自然生态系统的重要组成部分,掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导.壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一,已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征.然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟,仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体.本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法,引入Squirmer微生物游动模型,研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题.首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式;并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应.研究结果表明,游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素.流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩,影响微生物的游动方向,从而阻碍微生物逃离壁面.微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长,几乎达到牛顿流体的两倍以上.     

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。     

Unsteady bio-fluid dynamics in flying and swimming

Flying and swimming in nature present sophisticated and exciting ventures in biomimetics, which seeks sustainable solutions and solves practical problems by emulating nature's time-tested patterns, functions, and strategies. Bio-fluids in insect and bird flight, as well as in fish swimming are highly dynamic and unsteady; however, they have been studied mostly with a focus on the phenomena associated with a body or wings moving in a steady flow. Characterized by unsteady wing flapping and body undulation, fluid-structure interactions, flexible wings and bodies, turbulent environments, and complex maneuver, bio-fluid dynamics normally have challenges associated with low Reynolds number regime and high unsteadiness in modeling and analysis of flow physics. In this article, we review and highlight recent advances in unsteady bio-fluid dynamics in terms of leading-edge vortices, passive mechanisms in flexible wings and hinges, flapping flight in unsteady environments, and micro-structured aerodynamics in flapping flight, as well as undulatory swimming, flapping-fin hydrodynamics, body–fin interac-tion, C-start and maneuvering, swimming in turbulence,collective swimming, and micro-structured hydrodynamics in swimming. We further give a perspective outlook on future challenges and tasks of several key issues of the field.     

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.     

Dynamic flight stability of a model dronefly in vertical flight

The dynamic flight stability of a model dronefly in hovering and upward flight is studied.The method of computational fluid dynamics is used to compute the stability derivatives and the techniques of eigenvalue and eigenvector used to solve the equations of motion.The major finding is as following.Hovering flight of the model dronefly is unstable because of the existence of an unstable longitudinal and an unstable lateral natural mode of motion.Upward flight of the insect is also unstable,and the instability increases as the upward flight speed increases.Inertial force generated by the upward flight velocity coupled with the disturbance in pitching angular velocity is responsible for the enhancement of the instability.     

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.      

Computational aerodynamics of low Reynolds number plunging,pitching and flexible wings for MAV applications

Micro air vehicles （MAV＇s） have the potential to revolutionize our sensing and information gathering capabilities in environmental monitoring and homeland security areas. Due to the MAV＇s＇ small size, flight regime, and modes of operation, significant scientific advancement will be needed to create this revolutionary capability. Aerodynamics, structural dynamics, and flight dynamics of natural flyers intersects with some of the richest problems in MAV＇s, inclu- ding massively unsteady three-dimensional separation, transition in boundary layers and shear layers, vortical flows and bluff body flows, unsteady flight environment, aeroelasticity, and nonlinear and adaptive control are just a few examples. A challenge is that the scaling of both fluid dynamics and structural dynamics between smaller natural flyer and practical flying hardware/lab experiment （larger dimension） is fundamentally difficult. In this paper, we offer an overview of the challenges and issues, along with sample results illustrating some of the efforts made from a computational modeling angle.     

Estimating Nonlinearity Using Volterra Kernels in Feedback with Linear Models

Aeroelastic dynamics must be accurately known to ensure safe and efficient flight testing. Unfortunately, most models of aircraft systems typically describe only the linear dynamics. These models are inadequate for predicting behaviors, such as limit cycle oscillations, resulting from nonlinearities. This paper presents an approach to augment a linear model by identifying associated nonlinear operators. Essentially, the difference between a flight data measurement and a simulated measurement indicates the unmodeled dynamics. Volterra kernels are computed to represent the difference in measurement and, consequently, represent the unmodeled dynamics. The approach is applied to a nonlinear pitch–plunge system for which only a linear model is assumed available. The method is able to characterize errors due to incorrect parameters in the linear model and errors due to unmodeled nonlinearities of the dynamics.     

昆虫飞行的空气动力学

昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者. 它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯, 飞行技巧十分高超. 由于尺寸小, 因而翅膀的相对速度很小, 从而进行上述飞行所需的升力系数很大. 但昆虫翅膀的雷诺数又很低. 它们是如何在低雷诺数下产生高升力的, 是流体力学和生物学工作者都十分关心的问题. 近年来这一领域有了许多研究进展. 该文对这些进展进行综述, 并对今后工作提一些建议. 因2005 年前的工作已在几篇综述文章有了详细介绍, 该文主要介绍2005 年以来的工作. 首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数; 然后对2005 年之前的工作做一简要回顾. 之后介绍2005 年后的进展, 依次为: 运动学观测; 前缘涡; 翅膀柔性变形及皱褶的影响; 拍动翅的尾涡结构; 翼/身、左右翅气动干扰及地面效应; 微小昆虫; 蝴蝶与蜻蜓; 机动飞行. 最后为对今后工作的建议.      

昆虫飞行参数测量实验研究进展

在昆虫飞行的实验研究中,可采用活体实验、模型实验和活体模型结合三种方法。活体实验可以客观反映自然界中昆虫的飞行规律,获得真实的实验数据,但可重复性差。模型实验作为机械装置可以重复进行试验,详细描述流场结构并定量各种参数大小,但与真实飞行存在一定差距。单独使用这两种中的任一方法均可对一些现象给出了解释。二者相结合的方法更易于准确描述昆虫的运动特征,通过对比模型与活体的结果来提出机理,尽管需要的实验周期较长,但结论往往更接近真实状态,基于该方法科学家们已提出了几种飞行机理。本文结合近几年文献报道,综述了昆虫飞行参数测量方法,并对以上几种方法在研究昆虫飞行机理中的作用进行了对比分析,认为模型和活体结合的研究方法更容易为一些飞行现象提出合理解释。