研究人员揭开鲸鱼和海豚游泳高效的秘密 为下一代水下机器人铺路

有一天，水下机器人可能会非常逼真地模仿鱼一样的生物，它们不仅能骗过真正的动物本身，也会骗过人类。这种能力可以获得各种信息，从鱼类的健康状况到外国船只的位置。

那么，这样的机器人需要速度快、效率高、机动性强、声音隐秘。换句话说，它们必须非常像宽吻海豚或虎鲸。

利哈伊大学工程与应用科学学院机械工程与力学助理教授基思·W·莫瑞德说:“我们对开发下一代水下交通工具很感兴趣，所以我们试图了解海豚和鲸鱼是如何高效地游泳的。”“我们正在研究这些动物是如何设计的，以及这种设计在它们的游泳性能或游泳的流体力学方面有什么好处。”  

莫瑞德是最近发表在《英国皇家学会界面杂志》上的一篇论文的首席研究员，该论文通过数值模拟鲸鱼类动物摆动的尾鳍来研究它们的流体力学。莫瑞德和他的团队第一次开发出一个模型，可以定量地预测鳍的运动应该如何调整到它的形状，以最大限度地提高效率。

该研究是海军研究办公室多学科大学研究计划支持的一个更大项目的一部分。该项目在5年多的时间里获得了超过700万美元的资助，其中100万美元将捐给利哈伊大学，还包括弗吉尼亚大学、西切斯特大学、普林斯顿大学和哈佛大学。  

鲸目动物(鲸鱼和海豚)的尾鳍有各种各样的形状。这些动物移动鳍的方式，或者说它们的运动学，也各不相同。有些鲸科动物的鳍的拍动幅度比较大，或者倾斜的角度比较大。莫瑞德和他的团队希望更好地理解这两个变量之间的相互作用，以确定尾鳍形状是否适合特定的运动学集合。

利用五种鲸类动物的形状和运动数据(它们通常被称为宽吻海豚、斑点海豚、虎鲸、伪虎鲸和白鲸)，他们对每一种动物进行了模拟，以确定它们的推进效率。然后，他们交换了数据，例如，对一头虎鲸的鳍形与海豚的运动学进行了模拟。

“我们运行了25个这样的交换模拟，结果真的令人很惊讶。” 莫瑞德说。“伪虎鲸鳍的形状总是最好的，这意味着它是最有效的。我们给它什么样的运动学并不重要。而白鲸的运动学总是最好的，不管它附着在什么形状上。我们没有预料到这一点，所以我们开始深入研究，并开发了这个相对简单的模型，即效率如何根据不同的运动学和形状变量进行衡量。”

这个模型很好地捕获了莫瑞德和他的团队已经生成的数据，因此他们扩展了数据集来检查任何结果趋势。他们发现，这一模型不仅预测了数据集之外的效率，而且还揭示了特定的形状是根据特定的运动学定制的。

莫瑞德说，一个有趣的发现是，循环力和增加的惯性力之间的基本相互作用，有助于动物的运动。循环力是产生升力的力，就像飞机一样。

“一个上下摆动的尾巴会产生像飞机一样的力，但它也会产生额外的惯性力，这与流体加速的速度有关。” 莫瑞德说。“在过去，人们并不认为这些增加的力与鲸鱼类动物的游泳有什么关系。这在之前的文献中完全没有被承认。但我们发现，鳍的加速对预测效率的趋势是不可或缺的，这让我们很着迷。它最终给了我们一个准确的预测模型。没有它，我们基本上可以说，鳍的形状不会改变效率，这不是真的。” 

拥有一个可以根据形状和运动学来预测性能的模型，为建造一个像鲸鱼类动物一样的水下机器人提供了一个基本的设计方程。这些机器的潜力是巨大的。快速、高效和高度可操控的鱼形机器人可以帮助研究人员测试关于动物如何游泳的假设，并更好地了解鱼群的行为。它们可以用来探测潜艇和其他潜水器。它们还可用于监测气候变化对鱼类种群数量的影响。

莫瑞德和他的团队已经继续前进，并扩展了模型，以考虑更大范围的变量，然后用实验数据进行验证。最终，他们想建立一个更有预见性的模型，可以捕获这些变量的影响，然后预测一系列应用的性能。

“关于鱼的游动问题真的很令人兴奋，因为它太复杂了。”他说。“从这些混乱的变量中看到秩序，看到其中的结构，并理解正在发生的事情，这很有趣。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-03-secrets-efficiency-whales-dolphins-next-gen.html