1、仿鱼尾推进原理初探 仿形 仿理 仿自然内蒙古包头市包钢一中 段霄驰一、仿生学概述 什么是仿生学？仿生学仿什么？怎么仿？仿生学就是模仿生物的某种构造和功能，用来提高工程技术的综合指标和性能。模仿蜻蜓、苍蝇的视觉原理，我们发明了电子复眼；模仿海豚、蝙蝠的探物机理，我们发明了声纳雷达；模仿鸟的飞行效果，我们发明了飞机（包括固定翼飞机，旋翼飞机和扑翼飞机）。但人类在仿生学的进程中并非一帆风顺，一路凯歌。我们知道，鱼、鸟、蜻蜓是没有思维能力的，它们游动、飞行、视物都是出于自然的本能反应，而自然本能的东西应该是最简单、最直接、最省时省力的方式。仿生就是模仿生物的形态、构造等几何属性，就是模仿生物的运动变化
2、机理，就是模仿生物自然本能的东西，简言之就是仿形、仿理、仿自然。二、仿生建模的意义 1.仿生建模的意义在于，一是把现实世界中普遍存在的规律性的现象高度抽象概括，归纳出一般性的结论，给出物理（材料、力学）、数学（几何、代数）模型，二是用一般性的结论（性质、定理、公式、方程等）去指导生产实践。而力学模型的给出必须高度依赖牛顿三大运动定律（一般的运动物体达不到光速，也不可能跌入黑洞，相对论在这里还派不上用场），脱离了“牛三”定律去研究运动现象，就像建高楼没有打桩一样，是很不靠谱的。2.数学模型的建立，一要解释证明相应的物理现象、物理规律，二要指导生产实践，建模应建立在应用的基础上。因此仿生建模必须有
3、高度的概括性，简单明了，直指要害,同时要有较强的可操作性（包括设计、加工、生产），能直接应用于生产实践。三、建模1.从应用的角度看，仿生建模应该解决好两方面的问题，一是模型的物理属性（材料力学性能、运动力学原理），二是模型的数学属性（包括几何形状、代数表征），二者缺一不可。2.在已经公开的一些资料及已经上市的一些产品中，仿生鱼的尾鳍主要采用了两种结构：一种是刚性结构（运动过程中基本没有形变），一种是柔性结构（运动过程中形变较大）。这两种结构的仿生鱼有的能在水中游动，但效果不理想，速度慢，稳定性、灵活性差。3.我们应该确信鱼尾摆应该是弹性结构，在鱼尾摆的摆动过程中，鱼尾摆发生弹性形变，正是这种弹
4、性形变向鱼或提供了前进的动力。4.不仅人类在向更高、更快、更远挺进，一些动物更是以其独特的能力让人类望尘莫及，自叹弗如。我们来看一组数据：跳蚤体长仅2mm，却能跳到300mm的高度，是其体长的150倍；蚂蚁能衔起其体重170倍的食物；猎豹奔跑的速度可达100公里每小时；旗鱼游泳的最快速度是110公里每小时；海豚可以跃离水面5米之多。5.这些现象说明肌肉的爆发力是非常惊人的，猎豹快速奔跑，海豚高高跃起，都说明肌肉做功的效率很高，这种高效率源于肌肉是一种弹性蛋白质，所有生物的各种运动，包括跑、跳、飞、游，都离不开这种蛋白质。6.鱼尾的摆动、鸟翼的扑动，都是通过肌肉运动实现的，而鱼之所以能向前游动，
5、鸟之所以能在天空飞翔，就是因为在鱼尾摆动、鸟翼扑动时鱼尾和鸟的翼翅由于形变储备了巨大的弹性势能，这种弹性势能就是鱼和鸟游动、飞行的动力所在。7.解剖学证明，鱼尾和鸟的羽毛都具有非常好的弹性，结合上述分析，我们更有理由认为鱼尾摆和扑翼应建为弹性模型，只有弹性模型才更切合鱼和鸟的运动机理，也更切合牛顿运动定律与伯努利流体力学定律。四、国内外仿生机器鱼一览台籍委员：情牵台湾同胞福祉台籍委员：情牵台湾同胞福祉 心系两岸和平稳定心系两岸和平稳定台籍委员台籍委员:情牵台湾同胞福祉心系两岸和情牵台湾同胞福祉心系两岸和平稳定平稳定今天下午今天下午,全国政协十一届二次会议在人民大会堂开幕。与会的台籍政协委员全国
6、政协十一届二次会议在人民大会堂开幕。与会的台籍政协委员将会为两岸之间的大交流、大发展献计献策将会为两岸之间的大交流、大发展献计献策,发挥其不可替代的参政议政作用。发挥其不可替代的参政议政作用。两件提案两件提案:想台胞之所想想台胞之所想,急台胞之所急急台胞之所急第二次参加全国第二次参加全国“两会两会”的台联界别委员王二虎这次将提交两份提案的台联界别委员王二虎这次将提交两份提案:分别是分别是关于加大落实国家惠台政策力度的建议和关于对赴台老台胞一次性政关于加大落实国家惠台政策力度的建议和关于对赴台老台胞一次性政策补助的建议。关于前者策补助的建议。关于前者,王二虎认为党和政府已经出台了不少惠及台湾同王
7、二虎认为党和政府已经出台了不少惠及台湾同胞的措施胞的措施,符合两岸人民的心愿符合两岸人民的心愿,也符合我们的国情也符合我们的国情,下一步就希望各级政府把这下一步就希望各级政府把这些措施进一步落实好、贯彻好。关于后者些措施进一步落实好、贯彻好。关于后者,王二虎介绍说王二虎介绍说,老台胞大都是解放前老台胞大都是解放前后来到大陆后来到大陆,直到现在两岸基本实现直到现在两岸基本实现“三通三通”,好多台胞由于经济困难等原因还没好多台胞由于经济困难等原因还没有回过台湾有回过台湾,他因此建议政府拨专款为老台胞赴台探亲给予一定补助。他因此建议政府拨专款为老台胞赴台探亲给予一定补助。“陕西省陕西省的第一代老台胞
8、不超过的第一代老台胞不超过10个人个人,全国三四万台胞中全国三四万台胞中,70岁以上的不足岁以上的不足8%,满足他满足他们回乡探亲的心愿迫在眉睫。们回乡探亲的心愿迫在眉睫。”作为陕西省台联副会长作为陕西省台联副会长,王二虎一直很关注台企西进问题王二虎一直很关注台企西进问题,随着开放的进一步扩随着开放的进一步扩大和政策对中西部的进一步倾斜大和政策对中西部的进一步倾斜,他相信越来越多的台资企业会向内陆转移他相信越来越多的台资企业会向内陆转移1.美国1995年，MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998年，MIT推出的Robotuna最高
9、版本VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。2.英国Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列目：G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。而MT系列机器鱼则是采用单电机一多关节的尾部结构。3.日本20世纪90年代初，名古屋大学Toshio Fukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼。为了研究最优推进方法，开发
10、高推进性能的智能型水下机器鱼，从1999年开始 运输省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。4国内仿生机器鱼本体研究现状(1)北京航空航天大学。2004年8月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。这次水下活动，被有关专家认定为是“国际上首例水下仿生航行体的试验研究。(2)哈尔滨工业大学。哈尔滨工业大学在国家自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长0、95m，重约13kg，航速可达03ms。2006年他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRFI”，游动速度可达0、5ms，并进行了升潜和转向实验。(3)哈尔滨工程大学。
11、哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生一I”。该机器鱼长24m，最大直径062m，排水量320Kg，潜水深度10m，最高航速13ms。仿生机器鱼成国家科技展亮点仿生机器鱼成国家科技展亮点(图图)来源:生活报(哈尔滨)跟贴 0 条 手机看新闻中科院研制出仿生机器鱼本报记者喻思娈 来源：人民网人民日报 五、仿生机器鱼研究的瓶颈仿生机器鱼研究的瓶颈是速度和稳定性及运动的灵活性，在以往的所有研究中这些问题都没有取得重大突破，其根本原因就是没有透彻理解鱼的运动机理，对鱼尾的材料构成也没能做出清晰的解释和论证，虽有很多作品问世，但效果却差强人意。六、段氏仿生机器鱼（视频）本文从鱼的运动机能出发，着眼于鱼游动的动力原理，提出全新的建模理念：（1）鱼尾摆应为弹性结构，而非一些专利文件和相关资料所述的刚性或柔性结构；（2）建立简单可行的数学、物理模型；（3）创建应用模型，构造新的驱动模式，进行优化仿生；（4）仿生就是仿形、仿理、仿自然。
