游动和飞行的仿生力学问题.doc

游动和飞行的仿生力学问题/space/?uid-46839-action-viewspace-itemid-1325鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年的进化过程，为了攫取食饵、逃 避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要，通过漫长的环境适应的自然选择过程，发展了 各具特色的在水中游动和空中飞行的非凡能力，其整体功能渐趋优化，为当前的人造水下 航行器和飞行器望尘莫及。例如，处于寻食链顶端的海洋水生动物巡游时的流体推进效率 可高达80以上；人们早先用摇橹方式行船，以模仿鱼尾摆动规律；自从采用螺旋桨推进 后，其效率即下降至40以下。100年前，Wright兄弟由鸟类滑翔得到启示，发明了飞机， 但迄今为止，飞机的整体飞行性能还无法与飞行动物相匹配。以当前正形成热潮的研制微 型飞行器为例，如果其尺度在15cm以下时仍采用固定翼的常规气动布局，则由于气流的相 对粘性过大，飞行器犹如在浆糊那样的介质中运动，就无法飞行了。唯一的出路是从昆虫 飞行中寻找奥妙，因为昆虫是天然的微型飞行器。 随着上世纪末各种微型高新技术的迅速发展，人们提出了微型飞行器、微小水下航行 器等新概念，它们在未来国家安全和民用服务等方面即将起到重大作用。与此同时，仿生 机器学（Biomimetics）正迅速崛起，近10年来不同层次的机器鱼先后在国外和国内制成， 国外的小型拍翼飞行器已有样机，尺度小到3cm的机器苍蝇也正在试制之中。这些仿生技术 的迫切需求依输于一门发展中的交叉学科生物运动力学的强力支撑。要从这门学科中 汲取新思想和新概念。 生物运动力学 游动和飞行生物运动力学的研究对象是：将鱼、昆虫等生物视为一个个有生命的机器 ，要研究它们在神经信号控制下，驱动其强劲的推进肌产生收缩动作（相当于原动机）， 形成波状摆动或拍翼运动，将肌肉中蕴含的生化能转化为机械能，从而实现自主游动和自 主飞行。因此，该交叉学科需要解决的重大科学问题是：要研究和建立游动和飞行生物作 为一类自主运动生命机器的力学设计概念及其运动链的系列理论，包括神经控制，肌肉力 学，生物结构、形态和运动模式，生物材料性能，其推进和流动控制机制（生物外部流体 力学）、能量转换机制及其效率（力能学）等；也要研究游动和飞行的力学效应对动物的 生理学、生态学、动物行为及进化的相互影响。 由于这类生命机器中运动链的末端表现为执行器官(即往复摆动的鱼体、拍动的昆虫翼 等）的运动与周围介质的相互作用，生物外部流体力学自然成为该学科的关键环节。这类 生物流动区别于一般流体力学问题的特点是：（1）生物体自主运动，（2）柔性变形体， （3）强非定常流动，（4）对小型昆虫而言，雷诺数比较小，即Re101-103。下面介绍几 个当前关注的生物外部流体力学问题。 游鱼的阻力测定和机动运动问题 英国学者Gray（1936）提出一个疑题，海豚游动时，其肌肉能够提供的功率只有克服 阻力所需功率估计值的17，认为活海豚具有减阻之谜有待揭示。其后，有许多人为之探 索。一方面，研究了鱼类本身的低阻外形、其边界层流动控制的减阻、体表面粘液的减阻 和表皮的柔顺壁减阻，发现这些减阻机制只是个别存在，而且减阻幅度不大，不足以当作 疑题的答案。另方面，又用多种实验方案测量模型鱼、死鱼、麻醉的鱼等的流体阻力，发 现散布度很大，竟有数量级之差。现在看来，在实验方案中，必须满足自主游动的条件， 前人将死鱼连结在支架上作试验，肯定不符合要求。Triantafyllou等（1999）将机器金枪 鱼放在拖曳水池中支架上作阻力试验，令机器鱼摆动以模拟“活”鱼，否则就是“死”鱼 ，根据两种情况测出的输入功率，可以确定两者阻力的比值。结果表明，若“活”鱼处于 低效游动时，其阻力会比“死”鱼大；当活“鱼”处于最佳效率范围巡游时，会比“死” 鱼减阻50，其原因在于活鱼善于利用尾鳍作涡控制。但这一方案仍有悖于“自主”条件 。未来唯一可能的途径是定量测出活鱼的流场信息再换算出阻力。 某些鱼类的机动性能是惊人的。例如，黄鳍金枪鱼的爆发速度高达40节；白斑狗鱼的 加速性能可达20倍重力加速度；鱼的转弯半径一般只有0.1-0.3倍体长，转弯时毋需减速 。目前有了一些运动学观测资料。Domenici和Blake（1997）总结了前人观察白斑狗鱼等快 速起动过程的结果：在起动之前，鱼体要弯成C形或S形，然后反弹，形成波动方式推进， 以实现鱼类的捕食或逃逸。Triantafyllou等（1996）叙述了鱼丹实现C形转弯的过程。最 近，我们用数值分析的方法研究了欧洲鳗鱼的倒游、C形快速起动的模型流动和白斑狗鱼的 S形快速起动，有理由设想，鱼的机动动作是自然界中实现涡控制的完美杰作：涡的形成、 脱落和涡的配对，乃至最后形成有利的局部射流，这一切都是在鱼体转弯、鱼尾摆动等一 系列协调动作中完成的，涡流的方向和相位都恰到好处。今后对鱼类机动运动的研究依然 任重而道远。 昆虫拍翼非定常空气动力学和柔性变形效应问题 昆虫物种有上千万，其平均尺度为35mm，依靠拍翼的方式提供升力和推力，以平衡 体重和克服前飞阻力，实现悬停、前飞、机动运动等飞行状态。当前关注的核心是两种作 用机制，即拍翼非定常流动控制问题和昆虫翼柔性变形的力学效应问题。 毫米量级的中小型昆虫的拍翼运动虽然雷诺数很低（即气流的相对粘性大），但其流 动是强非定常的。我们对此做过理论模化研究，认为这里的非定常性是主导因素，可以采 用无粘流的简化气动模型进行解析求解，得到的结果经过验证，表明拍翼方式确实能够克 服虫体小尺度（导致低雷诺数）带来的气动局限性，能产生较高的非定常气动力。此外， 拍翼方式中可调节的运动学参数很多，变化其中任何一个都可以影响升力和推力，而且为 达到某个飞行状态，可以有多种调节方案，这样造就了昆虫机动灵活的高超飞行能力。为 此，我们有必要全面探索拍翼方式中每个可调参数的流动控制规律，建立拍翼非定常空气 动力学的新分支。 昆虫翼大多是薄膜型，在拍动过程中，沿展向的扭转变形和沿弦向的弯度变形通常是 很显著的。由于昆虫翼内没有神经，除了翼的翅脉与基底相连，可部分调节翼的形状之外 ，翼在很大程度上是在惯性力和气动力的双重作用下产生的被动粘弹性变形。昆虫冀的柔 性变形效应有哪些？什么最重要，是气动力增益，是节能，还是增强飞行的稳定性?至今尚 无答案。从现有少量的研究结果来看，柔性变形能够小幅度改变气动力，用以调节飞行姿 态是可以的，伊不会有大的气动力增益。 要研究和建立游动和飞行生物作