分為兩種：身體/尾鰭（BCF）推進(jìn)模式和中央鰭/對(duì)鰭（MPF）推進(jìn)模式[4-5]。 自然界中約80%的魚類采用BCF 推進(jìn)模式，其具有游動(dòng)速度快、推進(jìn)效率高等特點(diǎn)，目前已成為研究者進(jìn)行仿生工程研究的重要對(duì)象。 BCF 推進(jìn)模式主要依靠魚體的后半部分和尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，尾鰭在魚類推進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。研究表明魚類尾鰭的剛度、形狀和擺動(dòng)相位等會(huì)對(duì)其水動(dòng)力參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。 王志東等[6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算，研究了金槍魚游動(dòng)及其尾鰭擺動(dòng)的二維模型，討論了剛性和柔

1，2]。采用胸尾鰭推進(jìn)的水下航行器，由于其運(yùn)動(dòng)方式以及外形輪廓與魚類相近，又被稱作仿生機(jī)器魚[3]。與螺旋槳推進(jìn)方式相比，胸尾鰭聯(lián)動(dòng)推進(jìn)方式具有能量利用率高、噪聲小、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]，近年來(lái)被給予越來(lái)越多的關(guān)注[5]。魏倩蕓[6]以箱鲀機(jī)器魚為研究對(duì)象，使用CFD 仿真軟件，研究胸尾鰭擺動(dòng)頻率、幅度以及相位差對(duì)于魚體水動(dòng)力學(xué)性能的影響；Shen Y等[7]設(shè)計(jì)了一款三自由度胸鰭的機(jī)器魚，可實(shí)現(xiàn)拍打前進(jìn)、浮潛、轉(zhuǎn)彎，胸鰭在接近10°的仰角處于穩(wěn)態(tài)，順槳

世界首個(gè)完整保存尾鰭的盔甲魚類化石。中科院古脊椎所研究員蓋志琨介紹,這一新屬種的尾鰭具有9個(gè)手指狀分叉,故將其命名為“九尾狐甲魚”。我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)盔甲魚類化石可以追溯到1913年。然而,由于盔甲魚類的身體主要由軟骨和零散鱗片組成,很難完整保存為化石,因此,其頭后身體解剖難題在過(guò)去100多年里都沒(méi)有解決。2022年,在重慶特異埋藏化石庫(kù)中發(fā)現(xiàn)的靈動(dòng)土家魚首次揭示了盔甲魚類身體的全貌,但仍缺失尾鰭細(xì)節(jié)。此次發(fā)現(xiàn)的九尾狐甲魚補(bǔ)上了最后一塊拼圖,揭開(kāi)了盔甲魚類尾巴的

域的研究熱點(diǎn).雙尾鰭船型因其良好的阻力、推進(jìn)與操縱性能,在江海直達(dá)、內(nèi)河運(yùn)輸中得到了廣泛應(yīng)用[1].針對(duì)雙尾鰭船型快速性的研究通常采用水池模型試驗(yàn)或者流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法.其中模型試驗(yàn)是發(fā)展較早且較為成熟、可信的快速性預(yù)報(bào)方法,但存在成本高、周期長(zhǎng)的缺陷,另外模型試驗(yàn)通常僅能分解出推進(jìn)因子等相關(guān)宏觀流動(dòng)參數(shù),在討論船型對(duì)流場(chǎng)、自航因子影響的規(guī)律或機(jī)理方面缺乏充分的流場(chǎng)信息.隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬已成為越來(lái)越重要的船舶快速性研究手段,該方法時(shí)

atensis)尾鰭細(xì)胞系[17]。水體中鹽堿度水平對(duì)魚類的存活有顯著的影響，鹽堿度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)使魚類的存活率顯著降低[18-19]。在鹽度為20時(shí)，尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)僅少數(shù)個(gè)體能存活至96 h，堿度為12 g/L(以NaHCO3計(jì))時(shí)，96 h全部死亡[20]；鹽度為5.0～22.1時(shí)，小黃魚(Larimichthyspolyactis)10 d內(nèi)存活率極高，隨著鹽度降低或者升高，小黃魚的存活率持續(xù)下降[21]。筆者

脛骨單元以及柔性尾鰭單元，其關(guān)節(jié)采用柔性鉸鏈，并通過(guò)兩側(cè)彈性元件的對(duì)稱布置，可實(shí)現(xiàn)由單一舵機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)周期性擺動(dòng)動(dòng)作．采用D-H參數(shù)法對(duì)推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了推進(jìn)機(jī)構(gòu)尾鰭末端點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，研究了仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)等效連桿擺角參數(shù)(擺動(dòng)角、擺動(dòng)幅值、初始角)對(duì)推進(jìn)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)幅值的影響規(guī)律．根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，采用序列二次規(guī)劃法對(duì)設(shè)計(jì)的仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)等效連桿擺角參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了與海豹尾部擺動(dòng)幅值一致的最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)；在與海豹相同的游動(dòng)速度

8000)身體/尾鰭(BCF)推進(jìn)模式的魚類，尾鰭在直線巡游、調(diào)節(jié)魚體穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)性游動(dòng)中起著重要的作用[1]。因此，大量科研工作者針對(duì)尾鰭進(jìn)行了廣泛的研究。早期 “大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論[2]”、“波動(dòng)板理論[3]”、“三維波動(dòng)板理論[4]”、“勢(shì)流理論[5]”、“射流推進(jìn)理論”[6]等的發(fā)展為揭示尾鰭擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。隨著以計(jì)算機(jī)為代表的科技飛速進(jìn)步，DPIV技術(shù)[7]和CFD技術(shù)[8]在仿生學(xué)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。呈現(xiàn)了尾鰭運(yùn)動(dòng)時(shí)邊界層

了一種采用三關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚，利用3 個(gè)舵機(jī)來(lái)控制尾鰭的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的游動(dòng)，3 個(gè)舵機(jī)的擺動(dòng)采用正弦控制器來(lái)控制，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the robotic fish正弦控制器法是一種基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制方法。大多數(shù)魚類的身體或鰭的推進(jìn)波形接近正弦運(yùn)動(dòng)，該方法將仿生機(jī)器魚中每個(gè)關(guān)節(jié)看作一個(gè)正弦控制器，通過(guò)改變正弦控制器的頻率、幅值以

約1.27厘米，尾鰭兩側(cè)排列著的源自人類干細(xì)胞的心肌細(xì)胞為它提供“動(dòng)力”，能在沒(méi)有干預(yù)的情況下自主游動(dòng)100余天。干細(xì)胞是一種特殊的人體細(xì)胞，它能在體內(nèi)發(fā)育成特定的細(xì)胞類型，生物機(jī)械魚在尾鰭兩側(cè)各有一層心肌細(xì)胞。這種魚的“體能”會(huì)隨其“年齡”增長(zhǎng)而逐漸提高。它的肌肉收縮幅度、最大游動(dòng)速度和肌肉協(xié)調(diào)性，將在水中游動(dòng)的一個(gè)月內(nèi)隨著心肌細(xì)胞的成熟而逐漸提升，最終，它將達(dá)到與斑馬魚相近的游泳速度。小編叨叨：這條小小的生物機(jī)械魚或?qū)⒊蔀槿祟愥t(yī)療事業(yè)發(fā)展的有力推手。

約1.27厘米，尾鰭兩側(cè)排列著的源自人類干細(xì)胞的心肌細(xì)胞為它提供“動(dòng)力”，能在沒(méi)有干預(yù)的情況下自主游動(dòng)100余天。干細(xì)胞是一種特殊的人體細(xì)胞，它能在體內(nèi)發(fā)育成特定的細(xì)胞類型，生物機(jī)械魚在尾鰭兩側(cè)各有一層心肌細(xì)胞。這種魚的“體能”會(huì)隨其“年齡”增長(zhǎng)而逐漸提高。它的肌肉收縮幅度、最大游動(dòng)速度和肌肉協(xié)調(diào)性，將在水中游動(dòng)的一個(gè)月內(nèi)隨著心肌細(xì)胞的成熟而逐漸提升，最終，它將達(dá)到與斑馬魚相近的游泳速度。小編叨叨：這條小小的生物機(jī)械魚或?qū)⒊蔀槿祟愥t(yī)療事業(yè)發(fā)展的有力推手。

2）0 引 言首尾鰭作為小水線面雙體船（small water-plane-area twin hull,SWATH）的重要組成部分，具有增加航態(tài)穩(wěn)定性、調(diào)整航行姿態(tài)以及改善耐波性等作用，是SWATH 設(shè)計(jì)過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)。作者參與了一艘6 000 噸級(jí)小水線面雙體船的設(shè)計(jì)任務(wù)，該船目前已經(jīng)完成了主船體的線型優(yōu)化工作，其阻力性能優(yōu)越[1]。在使用母船型船變換方法設(shè)計(jì)首尾鰭時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始方案中首尾鰭需要較大面積和攻角角度才能保證該船在設(shè)計(jì)航速點(diǎn)航行姿態(tài)為尾

簡(jiǎn)單地分為身體/尾鰭（body or caudal fin，簡(jiǎn)稱BCF）和中鰭/對(duì)鰭（media or paired fin，簡(jiǎn)稱MPF）兩種。鲹科魚類的BCF推進(jìn)模式更是公認(rèn)的效率較高、游速較快的游動(dòng)模式［1］。與傳統(tǒng)螺旋槳推動(dòng)的水下航行裝置相比，模仿鲹科魚類BCF推進(jìn)模式的水下仿生推進(jìn)器具有較好的水下運(yùn)動(dòng)能力，在海洋資源勘探、軍事監(jiān)視、生物觀察及水下工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值［2］。智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展為水下仿生推進(jìn)器提供了新的驅(qū)

產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力。尾鰭也是魚類身體上最重要的魚鰭之一，它既可以幫助魚類保持身體平衡，又可以轉(zhuǎn)換游動(dòng)方向，同時(shí)還可以產(chǎn)生魚類在水中前進(jìn)的推動(dòng)力。尾鰭的著生是垂直方向，當(dāng)尾鰭向左擺，魚體便向右前進(jìn)，尾鰭向右擺，魚體便向左前進(jìn)。船舵就是模仿了魚類的尾鰭，可以幫助船只掌控水中前行的方向。除此之外，魚類身上其他的鰭也有各自的用途。比如背鰭和臀鰭參與調(diào)節(jié)魚體在水中垂直平衡及游泳，而腹鰭具有協(xié)助背鰭和臀鰭維持魚體平衡和輔助魚體升降拐彎的作用。多數(shù)魚類在水中游泳都離不開(kāi)胸鰭

塘養(yǎng)建鯉的背鰭、尾鰭和腹鰭，稱重后采用葉面積掃描儀直接測(cè)定其面積，分別采用線性模型、冪模型、指數(shù)模型和多項(xiàng)式模型分析塘養(yǎng)建鯉體重與鰭條面積和鰭條重量的相關(guān)性，并以鰭條面積/體重、鰭條重量/體重構(gòu)建鰭條面積比較指數(shù)和鰭條重量比較指數(shù)，與體重進(jìn)行相關(guān)回歸分析，建立回歸方程表征體重與鰭條面積和鰭條重量間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】指數(shù)模型、冪模型和線性模型更適宜用于塘養(yǎng)建鯉體重與鰭條面積和鰭條重量的相關(guān)回歸分析。塘養(yǎng)建鯉體重與鰭條的重量和面積表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，且體重與鰭條面積

7]研究了單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)式機(jī)器魚，并分析了不同航速下機(jī)器魚推力的變化；陳奇等[8]研究多關(guān)節(jié)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚游動(dòng)行為后發(fā)現(xiàn)，增加關(guān)節(jié)數(shù)量可有效提高機(jī)器魚游動(dòng)過(guò)程的推進(jìn)力；教柳等[9]研究?jī)申P(guān)節(jié)柔性仿生魚時(shí)，得出關(guān)節(jié)數(shù)越多時(shí)仿生魚游動(dòng)姿態(tài)越趨近于魚體波方程且水動(dòng)力性能越佳的結(jié)論；馮億坤等[10]通過(guò)仿真分析，計(jì)算了機(jī)器魚快速啟動(dòng)時(shí)自主游動(dòng)過(guò)程縱向力、側(cè)向力變化。鲹科推進(jìn)模式是典型的以身體/尾鰭擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)游動(dòng)的模式，游動(dòng)過(guò)程中超過(guò)90%的動(dòng)力由軀體后1/3的尾鰭

類為代表的身體-尾鰭推進(jìn)模式(body and/or caudal fin, BCF)機(jī)動(dòng)性能較好、巡游速度快, 是優(yōu)良的仿生樣本。該模式主要依靠魚類身體的波動(dòng)及尾部的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力, 其中鲹科魚類通常通過(guò)短時(shí)爆發(fā)、 長(zhǎng)時(shí)滑行來(lái)減少效率損失[1], 在這個(gè)過(guò)程中尾部的擺動(dòng)將直接影響推進(jìn)性能的好壞。尤其是作為魚尾主要部分的尾鰭, 其運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)推進(jìn)性能有著重要影響。研究表明[2], 相較于升沉幅值,搖擺幅度對(duì)尾鰭推進(jìn)性能的影響要大得多。因此研究擺幅對(duì)尾鰭推進(jìn)性

作用的。那么魚的尾鰭又有什么作用呢？我觀察發(fā)現(xiàn)，每一條魚在游動(dòng)的時(shí)候，尾鰭都擺動(dòng)得很厲害。于是我又將其中一條魚身體的后面1/3用膠帶纏住，然后讓它們舉行一個(gè)游泳比賽。結(jié)果被膠帶纏住的那條魚像失去了馬達(dá)一樣，游得很慢很慢。原來(lái)的游泳健將突然變得像蝸牛一樣。我徒手就能把它抓住了，我暗暗嘲笑它，看你現(xiàn)在還往哪里逃。那條魚肯定在想，你要是把我的尾巴放開(kāi)，你一定抓不住我。原來(lái)鯽魚游得這么快，功勞最大的是尾鰭??！鯽魚身上還有背鰭和腹鰭，我想肯定也有特殊的作用。魚身上的

作用的。那么魚的尾鰭又有什么作用呢？我觀察發(fā)現(xiàn)，每一條魚在游動(dòng)的時(shí)候，尾鰭都擺動(dòng)得很厲害。于是我又將其中一條魚身體的后面1/3用膠帶纏住，然后讓它們舉行一個(gè)游泳比賽。結(jié)果被膠帶纏住的那條魚像失去了馬達(dá)一樣，游得很慢很慢。原來(lái)的游泳健將突然變得像蝸牛一樣。我徒手就能把它抓住了，我暗暗嘲笑它，看你現(xiàn)在還往哪里逃。那條魚肯定在想，你要是把我的尾巴放開(kāi)，你一定抓不住我。原來(lái)鯽魚游得這么快，功勞最大的是尾鰭??！鯽魚身上還有背鰭和腹鰭，我想肯定也有特殊的作用。魚身上的

、一個(gè)背鰭和一個(gè)尾鰭。背鰭像沖鋒槍的槍柄，尾鰭像汽艇的推進(jìn)器?？陕斆髁?，會(huì)10以內(nèi)的加減法。有一個(gè)小女孩出了一道題：5-2=？飼養(yǎng)員拍了幾下水面，卡卡便飛快地游了過(guò)去。飼養(yǎng)員喂了卡卡一條魚，并對(duì)它說(shuō)了一遍小女孩出的題目，它潛進(jìn)水里思考了一會(huì)兒就浮了起來(lái)，將力量集中在尾鰭，向水面拍打了三下?！皣W……”觀眾們鼓起了潮水般的掌聲。過(guò)了一會(huì)兒，卡卡又潛到了水底，工作人員把懸在半空的球往下放了一點(diǎn)兒，它立即像箭一樣，直往上沖，嘴巴的頂端碰到了球，身體落下去時(shí)濺起

2-3],僅僅對(duì)尾鰭單一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王冉冉[4]通過(guò)基于三坐標(biāo)系的仿魚機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度求解算法，分別研究魚體的振幅、頻率、尾鰭最大擊水角度等參數(shù)對(duì)推進(jìn)效率的影響，得出最大的推進(jìn)效率只有33%；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳宏[5]，通過(guò)Froude游動(dòng)效率仿真，得出的最好平均效率為0.58；弗吉尼亞理工學(xué)院的A K Kancharala 和M K Philen[6]對(duì)尾鰭水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，得到的最大推進(jìn)效率只有45%。這些研

達(dá)能夠促進(jìn)斑馬魚尾鰭再生。1 材料與方法1.1 材料1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物斑馬魚由南通大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供，本文中顯微注射以及外交所使用的斑馬魚均為野生型AB系斑馬魚，喂養(yǎng)和產(chǎn)卵方案依照Z(yǔ)FIN：The Zebrafish Book (http://zfin.org/zf_info/zfbook/zfbk.html)。1.1.2 儀器設(shè)備PV830顯微注射儀(World Precision Instruments)、手術(shù)器械(World Precision

比腹鰭起點(diǎn)靠后，尾鰭短而寬，分叉且尾鰭基具1條不甚明顯的垂直黑色帶紋。背鰭鰭間具1條由斑點(diǎn)組成的條紋，身體顏色單一無(wú)條紋或斑點(diǎn)。形態(tài)描述：該標(biāo)本身體細(xì)長(zhǎng)，側(cè)扁，身體的最高處在背部和背鰭基部的起點(diǎn)間；背鰭邊緣平截，臀鰭被壓下的時(shí)候，未達(dá)臀鰭基部起點(diǎn)與尾鰭基部間距離的1/2；尾鰭叉形，兩葉邊緣圓滑，近等長(zhǎng)；肛門至腹鰭基部的距離短于尾鰭基部；胸鰭短，未達(dá)胸鰭和腹鰭基部距離的1/2；背鰭基部前起點(diǎn)比腹鰭基部前起點(diǎn)靠后。除腹部外，體被細(xì)鱗；側(cè)線完全、平直，側(cè)線管小；

2-3],僅僅對(duì)尾鰭單一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王冉冉[4]通過(guò)基于三坐標(biāo)系的仿魚機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度求解算法，分別研究魚體的振幅、頻率、尾鰭最大擊水角度等參數(shù)對(duì)推進(jìn)效率的影響，得出最大的推進(jìn)效率只有33%；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳宏[5]，通過(guò)Froude游動(dòng)效率仿真，得出的最好平均效率為0.58；弗吉尼亞理工學(xué)院的A K Kancharala 和M K Philen[6]對(duì)尾鰭水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，得到的最大推進(jìn)效率只有45%。這些研

CFX的二維擺動(dòng)尾鰭推進(jìn)性能的水動(dòng)力仿真分析方法，采用先進(jìn)計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)其長(zhǎng)度、擺動(dòng)頻率進(jìn)行分析。通過(guò)選取較好的尾鰭物理、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，達(dá)到二維擺動(dòng)尾鰭高效推進(jìn)的目標(biāo)。采用三次樣條曲線擬合尾鰭擺動(dòng)的振型函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其振型函數(shù)優(yōu)化，以提高推力、增大航程。結(jié)果表明優(yōu)化后的振型函數(shù)可使尾鰭獲得更大的推力，較初始振型函數(shù)可提高548.8%。CFX；二維擺動(dòng)尾鰭；數(shù)值分析；推進(jìn)性能0 引 言隨著世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)于自然資源的需要量愈來(lái)愈大。海洋在地球上所占面積

6022）基于雙尾鰭式的新型仿生自主式水下機(jī)器人徐躍a， 章海a， 屈曉坤a， 付宗國(guó)a,b， 袁躍峰a（浙江海洋大學(xué)a.船舶與機(jī)電工程學(xué)院；b.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）為了解決現(xiàn)有自主式水下機(jī)器人續(xù)航時(shí)間短和水中所受阻力大等問(wèn)題，文中主要設(shè)計(jì)了一種基于仿生學(xué)原理、死點(diǎn)定理和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的雙尾鰭式新型的自主式水下機(jī)器人，并詳細(xì)介紹了它的運(yùn)行、組成及各個(gè)模塊的作用。它具有投放回收方便簡(jiǎn)單、所受阻力小和續(xù)航能力久等特點(diǎn)。這種

[3]設(shè)計(jì)一套仿尾鰭推進(jìn)系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的水動(dòng)力試驗(yàn)以研究了運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)擺動(dòng)尾鰭水動(dòng)力性能的影響,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,試驗(yàn)表明擺動(dòng)尾鰭可以產(chǎn)生推進(jìn)力和較高的推進(jìn)效率;文獻(xiàn)[4]對(duì)仿生魚慢速自主巡游狀態(tài)和C形快速起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了仿生魚自主游動(dòng)過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)特性;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一款仿鲹科機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)器魚推進(jìn)性能的影響,以得到推進(jìn)性能最優(yōu)化的參數(shù)組合;文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)一種裝有可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的肋條機(jī)器

中很多魚的眼睛和尾鰭的尺寸。聽(tīng)到這些，你是否感到十分驚訝呢？原來(lái)，在海洋系統(tǒng)中，許多小魚都有著較大的眼睛和有力的尾鰭，幫助它們及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速躲避鯊魚的攻擊與吞食。尤其在鯊魚出沒(méi)捕食的低光環(huán)境下更是如此：一定尺寸的尾鰭可以保證魚類突然加速游動(dòng)，以此來(lái)逃離鯊魚的追捕。但是，在2018年1月，西澳大利亞大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員的最新研究發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)由于人類對(duì)鯊魚的大量獵殺，導(dǎo)致多種鯊魚瀕臨滅絕。鯊魚數(shù)量的減少，使得其他魚類的生存得到了暫時(shí)的和平安穩(wěn)，導(dǎo)致它們的形態(tài)也正

大的眼睛和有力的尾鰭，幫助它們及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速躲避鯊魚。但是，西澳大利亞大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員發(fā)現(xiàn)，鯊魚數(shù)量明顯減少后，小魚的眼睛及尾鰭也隨之變小。研究人員在新一期《海洋生態(tài)進(jìn)展系列》上發(fā)表報(bào)告說(shuō)，他們對(duì)澳大利亞西北海域羅利沙洲和斯科特礁2個(gè)珊瑚礁系統(tǒng)中7種不同的魚類進(jìn)行了對(duì)比分析。這2個(gè)珊瑚礁有著相似的自然環(huán)境，但有所不同的是，羅利沙洲禁止捕魚，鯊魚數(shù)量較穩(wěn)定，而斯科特礁允許對(duì)鯊魚進(jìn)行商業(yè)捕撈，且已經(jīng)持續(xù)了100多年。研究人員分別在2個(gè)珊瑚礁海域進(jìn)行了采樣捕撈

程中的穩(wěn)定性，與尾鰭共同完成上浮下潛游動(dòng)懸浮等工作。1.3 機(jī)器魚尾部結(jié)構(gòu)機(jī)器魚尾部采用軟橡膠材料，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)完成與魚體連接，盡可能地縮小連接處外露的連接機(jī)構(gòu)，能夠增加魚尾擺動(dòng)范圍并容易控制機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向速度。尾鰭在擺動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生有力的拍動(dòng)，緊接著再迅速反方向拍動(dòng)一次，第一次拍動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)大渦流，第二次拍動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)完全反向旋轉(zhuǎn)的渦流。當(dāng)兩個(gè)渦流自魚尾推開(kāi)相互削弱時(shí)，便產(chǎn)生一股強(qiáng)大的推力，這樣既可以為機(jī)器魚的游動(dòng)提供動(dòng)力，又可以為機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力[2]。2

尾巴和一條柔軟的尾鰭，兩者結(jié)構(gòu)完全獨(dú)立，各自生長(zhǎng)進(jìn)化。魚退去了肉質(zhì)尾巴，留下了更靈活的尾鰭以提高它們的游水能力;有些魚類進(jìn)化成半水生動(dòng)物，然后逐漸演變成陸生動(dòng)物，它們失去了靈活的尾鰭但保留下了肉質(zhì)尾巴。而包括人類祖先在內(nèi)的成年類人猿則進(jìn)一步退化了尾巴，失去僅存的骨質(zhì)尾巴能更好地進(jìn)行直立運(yùn)動(dòng)。殘留的胚胎骨質(zhì)尾巴隱藏在尾椎骨中，在人類胎兒發(fā)育過(guò)程中會(huì)被抑制生長(zhǎng)。

）機(jī)器鱈魚胸鰭/尾鰭協(xié)同推進(jìn)直線游動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)研究李宗剛，徐衛(wèi)強(qiáng)，王文博，杜亞江（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）設(shè)計(jì)了一種二自由度胸鰭/尾鰭協(xié)同推進(jìn)的仿生機(jī)器鱈魚，其胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)不僅能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)前后拍翼運(yùn)動(dòng)、搖翼運(yùn)動(dòng)以及兩者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，而且還可與尾鰭實(shí)現(xiàn)協(xié)同推進(jìn)，進(jìn)而分別建立了胸鰭單獨(dú)推進(jìn)、胸鰭/尾鰭協(xié)同推進(jìn)時(shí)的水動(dòng)力學(xué)模型。數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，胸鰭復(fù)合運(yùn)動(dòng)與尾鰭協(xié)同推進(jìn)時(shí)，仿生機(jī)器魚游速最快，可達(dá)0.30 m/s，胸鰭搖翼運(yùn)

為兩大類：身體-尾鰭模式（Body and Caudal Fin, BCF）和中央鰭/對(duì)鰭模式（Median and/or Paired Fin, MPF）[6]。鲹科魚類是典型的BCF游動(dòng)模式，其通過(guò)身體的后半部分在橫向方向往復(fù)地作扭曲擺動(dòng)，以橫波的方式由前向后傳播以獲得推進(jìn)力。如圖1所示，并行游動(dòng)的兩條鲹科魚類，其尾鰭在波動(dòng)過(guò)程中將通過(guò)流體互相耦合從而影響其推進(jìn)性能。根據(jù)波動(dòng)姿態(tài)的不同，本文重點(diǎn)研究同相和反相波動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)特性。圖1 鲹科魚類并行游

金絲驅(qū)動(dòng)的仿生雙尾鰭推進(jìn)器的仿真和實(shí)驗(yàn)研究李 健1，王榮臻2，吳 季1，高 飛3，王振龍3(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040；2.北京軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，北京 100042；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)單尾鰭推進(jìn)的仿生魚會(huì)產(chǎn)生周期性的、較大幅度的側(cè)向力，使得魚體產(chǎn)生橫向振蕩和偏擺，不利于游動(dòng)的穩(wěn)定性。為了消除側(cè)向力的影響，提出一種雙尾鰭擺動(dòng)推進(jìn)的策略，通過(guò)雙尾鰭的對(duì)稱擺動(dòng)來(lái)抵消擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力。研制了形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿生雙尾鰭推進(jìn)器，

魚類長(zhǎng)著強(qiáng)有力的尾鰭，通過(guò)擺動(dòng)尾鰭在水里快速游動(dòng)。海馬沒(méi)有尾鰭，只有很小的背鰭。它們通過(guò)擺動(dòng)背鰭，可以向前移動(dòng)。海馬頭部還長(zhǎng)著兩只很小的鰭，可以幫助它們向側(cè)面移動(dòng)。海馬體內(nèi)還有一個(gè)器官能幫助它們上下移動(dòng)，這就是鰾。鰾就像海馬體內(nèi)的一個(gè)氣球。想要上浮時(shí)，海馬往鰾里充氣；想要下沉?xí)r，海馬就把鰾里的氣體排一些出來(lái)。尾巴的妙用海馬的尾巴并不能用來(lái)游泳，但可以用來(lái)干些別的事情。海馬會(huì)把尾巴卷起來(lái)，鉤在植物上，起到固定的作用。這樣一來(lái)，水流很強(qiáng)的海水也無(wú)法將它們沖走。

慶 401331尾鰭缺失和恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)不同生境的兩種鯉科魚類快速啟動(dòng)游泳能力的影響閆東娟， 曹振東， 付世建*重慶師范大學(xué), 進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 動(dòng)物生物學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401331為了考查尾鰭切除及其恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)偏好靜水環(huán)境的鯽魚(Carassiusauratus)與偏好激流環(huán)境的寬鰭鱲(Zaccoplatypus)兩種鯉科魚類快速啟動(dòng)游泳能力的影響，將鯽魚幼魚((6.34 ± 0.02) cm)和寬鰭鱲幼魚((6.26 ± 0.12) c

430064）多尾鰭仿生航行器推進(jìn)性能的三維數(shù)值研究張智偉1，易淼榮1，敬 軍2，秦豐華1，楊基明1（1．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027；2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七○一研究所，湖北 武漢 430064）采用格子波爾茲曼方法及浸沒(méi)邊界法，發(fā)展了一套適用于自由游動(dòng)的三維數(shù)值研究程序。進(jìn)而以多尾鰭推進(jìn)仿生航行器為原型，討論了尾鰭數(shù)目、形狀、材料剛度等構(gòu)型參數(shù)及振幅、頻率等尾鰭擺動(dòng)參數(shù)對(duì)推進(jìn)性能的影響。結(jié)果表明對(duì)稱布置、反對(duì)稱擺動(dòng)的雙尾

慶400047)尾鰭缺失對(duì)鳊魚幼魚游泳能力、能量效率與行為的影響楊 晗 曹振東 付世建(重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 重慶市動(dòng)物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶400047)魚類需要多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同以完成包括游泳運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的各種生理功能。尾鰭作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要器官, 在游泳過(guò)程中具有推進(jìn)及導(dǎo)向作用。尾鰭的形狀、面積和大小等均會(huì)對(duì)魚類的運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生影響[1—5]。在自然界中由于捕食、等級(jí)斗爭(zhēng)等因素常常導(dǎo)致魚體出現(xiàn)尾鰭的部分缺失, 不僅如此, 疾病、水溫

常見(jiàn)的水中生物，尾鰭的往復(fù)擺動(dòng)是其最主要的推進(jìn)方式。在國(guó)內(nèi)外對(duì)仿生魚的研究中，尾鰭擺動(dòng)式機(jī)器魚也占據(jù)著最重要的地位。如麻省理工研制的世界上第一條機(jī)器魚“Robot-Tuna”［2］、北航研制的 SPC 系列機(jī)器魚［3］、哈工程研制的“仿生-I號(hào)”機(jī)器魚［4］，都是模仿魚尾的動(dòng)作，然而這些機(jī)器魚大都由電機(jī)帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)作特征和真實(shí)魚類相比差距較大，推進(jìn)性能也較低。近來(lái)，各種智能材料相繼應(yīng)用到仿生魚的研究上，如紐約大學(xué)Poly理工學(xué)院研制的基于電流驅(qū)動(dòng)聚合

，在吊掛尾部安裝尾鰭有利于吊掛的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)［7］對(duì)UH-60黑鷹直升機(jī)吊掛進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)飛行試驗(yàn)對(duì)不同構(gòu)型尾鰭的吊掛進(jìn)行了穩(wěn)定性分析.本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamics)方法，計(jì)算并考察了兩種直升機(jī)吊掛構(gòu)型的氣動(dòng)力與繞流流場(chǎng)特性，研究了吊掛尾鰭保證吊掛航向穩(wěn)定性的作用機(jī)理.在忽略空氣摩擦阻力的假設(shè)條件下，建立了吊掛擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程，提出使擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)固有頻率等于1的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，利用該準(zhǔn)則對(duì)第2種吊掛構(gòu)型進(jìn)

600DWT雙尾鰭供油船是中國(guó)船舶燃料有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱中燃集團(tuán)）委托上海船舶研究設(shè)計(jì)院完成方案及詳細(xì)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)設(shè)計(jì)工程。它是在船舶市場(chǎng)比較低迷的時(shí)候適應(yīng)渤海灣、上海、福建等沿海大港燃油供應(yīng)而產(chǎn)生的，對(duì)中燃國(guó)內(nèi)近海供油船的格局有著重要影響。該系列船共17艘，作為中燃集團(tuán)大連分公司、秦皇島分公司、上海分公司的成品油運(yùn)輸團(tuán)隊(duì)中相對(duì)較大的供油船，對(duì)該公司意義重大。該公司目前主要以2 300 DWT和1 000 DWT供油船為主，已經(jīng)滿足不了日益增長(zhǎng)的燃油運(yùn)輸要

的關(guān)鍵，而采用雙尾鰭船型是一條有效途徑，其有利于降低船舶阻力，提高推進(jìn)效率和操縱性能。22萬(wàn)立方米LNG船主要要求為：垂線間長(zhǎng)302.0 m；型寬～50.0 m；型深 27.0 m；貨 艙容積～220 000 m3；設(shè)計(jì)吃水 12.0 m；服務(wù)航速 19.5 kn。1 后體設(shè)計(jì)與優(yōu)化雙尾鰭線型由兩個(gè)尖瘦的片尾和一個(gè)縱流型中央隧道組成。與常規(guī)船型相比，尾部線型變化較緩和、縱向梯度變化小，可使尾部流場(chǎng)順暢，減少邊界層分離，從而減小粘壓阻力；同時(shí)還可減少尾興波，

了實(shí)驗(yàn)“觀察小魚尾鰭內(nèi)血液的流動(dòng)”。學(xué)生通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到兩個(gè)教學(xué)目的：1、可以獲得有關(guān)血管和血流的感性認(rèn)識(shí)；根據(jù)血管內(nèi)血液流動(dòng)的情況，嘗試分辨動(dòng)脈、靜脈及毛細(xì)血管。此實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)各中常遇到以下現(xiàn)象：(1)將小魚抓放在培養(yǎng)皿中是一個(gè)很難操作的過(guò)程；(2)用浸濕的棉絮將小魚包裹的過(guò)程困難；(3)小魚在顯微鏡下觀察時(shí)易發(fā)生跳動(dòng)，易引起學(xué)生的尖叫，也導(dǎo)致了觀察的困難。筆者經(jīng)過(guò)反復(fù)研究及實(shí)驗(yàn)，提出了如下實(shí)驗(yàn)方案。1材料用具的改進(jìn)尾鰭色素少的活的紅鯉魚(長(zhǎng)約6cm)

在不足。1 新型尾鰭及其水動(dòng)力模型1.1 新型尾鰭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介該尾鰭主要與淺V型滑行面線型配合，成對(duì)布置于船尾，由主板和鰭板構(gòu)成主板，通過(guò)鉸鏈或聯(lián)接軸與艇尾封板下邊緣相聯(lián)接，鰭板聯(lián)接于主板外側(cè)邊緣。其中鰭板與主板的聯(lián)接主要有兩種類型。一種為鰭板固接于主板外側(cè)邊緣，可整體繞艇尾封板下邊緣轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種為鰭板通過(guò)聯(lián)接軸與主板外側(cè)邊緣相聯(lián)，鰭板可繞其邊緣連接軸旋轉(zhuǎn)。主板和鰭板平面形狀為矩形、梯形或普通四邊形。主板縱剖截面為矩形，鰭板縱剖截面為機(jī)翼形或弓形或月牙形。結(jié)構(gòu)

它的胸鰭、腹鰭、尾鰭，然后再放回到水盆中觀察。我發(fā)現(xiàn)和其他魚相比，這條魚游速緩慢，而且忽上忽下，左右搖晃不定，顯然失去了平衡。這是什么原因呢？我問(wèn)爸爸。爸爸說(shuō)：“魚在游動(dòng)的時(shí)候，腹鰭、尾鰭有保持身體平衡、控制方向的作用，魚的胸鰭還有‘剎車的作用呢。前進(jìn)的魚，將兩側(cè)的胸鰭同時(shí)舉起，阻力增大，運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止下來(lái)。一旦剪去魚鰭，這些動(dòng)能就全都失去了?！甭?tīng)了爸爸的話，我恍然大悟：原來(lái)魚鰭竟有這么重要的作用。啊！生物太神奇了。（指導(dǎo)老師：劉文艷）