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机器鱼为何难造:物理学家无法解释鱼如何游泳 组图  

2015-07-02 14:48:11|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 机器鱼为何难造:物理学家无法解释鱼如何游泳 组图

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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。

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这种“拉格朗日拟序结构”的涡旋或许是揭开鱼类运动机制

的突破口

 

计算机模拟的鱼类运动图像

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。

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。

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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