水下機(jī)器人將可能會成為下一代水下交通工具

有一天，水下機(jī)器人可能會非常逼真地模仿魚一樣的生物，它們不僅能騙過真正的動物本身，也會騙過人類。這種能力可以獲得各種信息，從魚類的健康狀況到外國船只的位置。

那么，這樣的機(jī)器人需要速度快、效率高、機(jī)動性強(qiáng)、聲音隱秘。換句話說，它們必須非常像寬吻海豚或虎鯨。

利哈伊大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程與力學(xué)助理教授基思 · W · 莫瑞德說 :" 我們對開發(fā)下一代水下交通工具很感興趣，所以我們試圖了解海豚和鯨魚是如何高效地游泳的。"" 我們正在研究這些動物是如何設(shè)計的，以及這種設(shè)計在它們的游泳性能或游泳的流體力學(xué)方面有什么好處。"

莫瑞德是最近發(fā)表在《英國皇家學(xué)會界面雜志》上的一篇論文的首席研究員，該論文通過數(shù)值模擬鯨魚類動物擺動的尾鰭來研究它們的流體力學(xué)。莫瑞德和他的團(tuán)隊(duì)第一次開發(fā)出一個模型，可以定量地預(yù)測鰭的運(yùn)動應(yīng)該如何調(diào)整到它的形狀，以最大限度地提高效率。

該研究是海軍研究辦公室多學(xué)科大學(xué)研究計劃支持的一個更大項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目在 5 年多的時間里獲得了超過 700 萬美元的資助，其中 100 萬美元將捐給利哈伊大學(xué)，還包括弗吉尼亞大學(xué)、西切斯特大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)。

鯨目動物 ( 鯨魚和海豚 ) 的尾鰭有各種各樣的形狀。這些動物移動鰭的方式，或者說它們的運(yùn)動學(xué)，也各不相同。有些鯨科動物的鰭的拍動幅度比較大，或者傾斜的角度比較大。莫瑞德和他的團(tuán)隊(duì)希望更好地理解這兩個變量之間的相互作用，以確定尾鰭形狀是否適合特定的運(yùn)動學(xué)集合。

利用五種鯨類動物的形狀和運(yùn)動數(shù)據(jù) ( 它們通常被稱為寬吻海豚、斑點(diǎn)海豚、虎鯨、偽虎鯨和白鯨 ) ，他們對每一種動物進(jìn)行了模擬，以確定它們的推進(jìn)效率。然后，他們交換了數(shù)據(jù)，例如，對一頭虎鯨的鰭形與海豚的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了模擬。

" 我們運(yùn)行了 25 個這樣的交換模擬，結(jié)果真的令人很驚訝。" 莫瑞德說。" 偽虎鯨鰭的形狀總是最好的，這意味著它是最有效的。我們給它什么樣的運(yùn)動學(xué)并不重要。而白鯨的運(yùn)動學(xué)總是最好的，不管它附著在什么形狀上。我們沒有預(yù)料到這一點(diǎn)，所以我們開始深入研究，并開發(fā)了這個相對簡單的模型，即效率如何根據(jù)不同的運(yùn)動學(xué)和形狀變量進(jìn)行衡量。"

這個模型很好地捕獲了莫瑞德和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)生成的數(shù)據(jù)，因此他們擴(kuò)展了數(shù)據(jù)集來檢查任何結(jié)果趨勢。他們發(fā)現(xiàn)，這一模型不僅預(yù)測了數(shù)據(jù)集之外的效率，而且還揭示了特定的形狀是根據(jù)特定的運(yùn)動學(xué)定制的。

莫瑞德說，一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，循環(huán)力和增加的慣性力之間的基本相互作用，有助于動物的運(yùn)動。循環(huán)力是產(chǎn)生升力的力，就像飛機(jī)一樣。

" 一個上下擺動的尾巴會產(chǎn)生像飛機(jī)一樣的力，但它也會產(chǎn)生額外的慣性力，這與流體加速的速度有關(guān)。" 莫瑞德說。" 在過去，人們并不認(rèn)為這些增加的力與鯨魚類動物的游泳有什么關(guān)系。這在之前的文獻(xiàn)中完全沒有被承認(rèn)。但我們發(fā)現(xiàn)，鰭的加速對預(yù)測效率的趨勢是不可或缺的，這讓我們很著迷。它最終給了我們一個準(zhǔn)確的預(yù)測模型。沒有它，我們基本上可以說，鰭的形狀不會改變效率，這不是真的。"

擁有一個可以根據(jù)形狀和運(yùn)動學(xué)來預(yù)測性能的模型，為建造一個像鯨魚類動物一樣的水下機(jī)器人提供了一個基本的設(shè)計方程。這些機(jī)器的潛力是巨大的。快速、高效和高度可操控的魚形機(jī)器人可以幫助研究人員測試關(guān)于動物如何游泳的假設(shè)，并更好地了解魚群的行為。它們可以用來探測潛艇和其他潛水器。它們還可用于監(jiān)測氣候變化對魚類種群數(shù)量的影響。

莫瑞德和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)繼續(xù)前進(jìn)，并擴(kuò)展了模型，以考慮更大范圍的變量，然后用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。最終，他們想建立一個更有預(yù)見性的模型，可以捕獲這些變量的影響，然后預(yù)測一系列應(yīng)用的性能。

" 關(guān)于魚的游動問題真的很令人興奮，因?yàn)樗珡?fù)雜了。" 他說。" 從這些混亂的變量中看到秩序，看到其中的結(jié)構(gòu)，并理解正在發(fā)生的事情，這很有趣。"