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制造机器鱼:模拟鱼类运动机制难倒科学家们

更新时间:2015-07-10 12:52:01 文字尺寸:

至尊棋牌 www.ni3q.com.cn      据国外媒体报道,动物界为机器人研究提供了无穷无尽的灵感,或许未来我们还可以见证机器动物园的诞生,观赏机器猎豹、机器海豹、机器黄蜂、机器霸王龙等等。从实用性和美观的角度,制造一条能游泳的机器鱼是个不错的主意;而且,它很可能将帮助我们在外星球的海洋中寻找外星生命。

    不过,挡在水生机器人专家面前的还有一个难题:物理学家无法解释鱼是怎么游泳的。早在20世纪90年代,第一条机器鱼——麻省理工学院研制的“robotuna”(仿生金枪鱼)——就进行了水下实验。尽管这项工作十分超前,但有关鱼类如何推进的数学原理至今仍然模糊不清。

制造机器鱼:模拟鱼类运动机制难倒科学家们

    幸运的是,科学家正在逐渐接近目标。近日,来自瑞士苏黎世联邦理工学院的物理工程师团队展示了一项测定和模拟鱼类游泳的新技术,他们的研究内容发表在《混沌》(Chaos)杂志上(《混沌》是一本顶尖数学期刊,刊登非线性动力学和非线性物理学上具有重要原创性的论文)。研究揭示,鱼类的游泳比我们原本想象的复杂得多。论文共同作者、哈佛大学动物运动专家马提亚·加佐拉(Mattia Gazzola)说:“这是一个很有趣的运动方式。所有人都或多或少知道鱼是怎么游的,但其中的机制却难以捉摸。”

    鱼类通过在水中创造出“结构”——三维的流体涡旋——来进行运动。通过身体的收缩、凹陷,鱼制造出了一个涡旋,之后它们推开涡旋,并用尾鳍将涡旋甩开,向前推进。不过,研究者目前还无法测定推开这种涡旋的力量大小,这也减缓了机器鱼研究的速度。当然,定量测量并不容易。加州理工学院生物推进实验室的约翰·达比里(John Dabiri)说:“你可以在模型飞机上安装压力传感器,然后在风洞中进行测量,但在动物身上还无法做到。”达比里并未参与这项研究。

    马提亚·加佐拉的团队通过计算机模拟鱼-水相互作用来研究这一问题,主要关注计算机模型鱼与其制造出来的涡旋之间的动力交换机制。对这些所谓的“拉格朗日拟序结构”的定量测定,将有助于机器人设计专家开展接下来的工作。如果知道这些涡旋的旋转机制,以及涡旋中的水含量,机器人专家或许就能够设计出能向前推进的机器鱼。

    经过数百万年的演化,自然界的鱼类已经具有了无与伦比的游泳技能。它们比机器鱼速度更快,效率更高。拉格朗日拟序结构似乎是研究鱼类运动机制的突破口,有其他科学团队也在利用这一方法进行研究。下一步,科学家希望用真实活动的鱼类来证实这一模型。

 

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