仿生学概论(2)

<<仿生学概论>>

课程练习二

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一：仿生理论研究文章

原文;

动物运动与力学仿生

力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质

下面列出了动物的运动对仿生力学的—些启示

⑴利用动物运动的力学机理，为民用或军用的目的，考虑如何改进现有的机械设备和工具，或设计制造新型的仿生高效机械设备和工具。

⑵模仿动物行走、奔跑、跳跃、游泳、飞行、爬行的特点，设计、制造相应有不同特色和应用范围的智能机器人（亦分别可称为智能行走器、智能机器鱼、智能潜行器、智能爬行器、智能飞行器等），既可在地球上某些特殊环境下使用，以达到特定的目的；又可以为到月球、火星等别的星体上探测、研究时使用。

⑶在競技体育运动上，根据动物行走、奔跑、跳跃、游泳的特点，吸取其奥秘，提高运动能力和水平，以做到“更高、更快、更强”。

1.游泳

在水中生活的动物种类多、数量大。学者现在普遍认为，生命是起源于水中的。水生动物适应水中的环境，其运动形式以游泳为主。水是水生动物运动的媒质，其质量比空气重得多。水生动物要受到水的浮力，其在水中的运动阻力亦要比在空气中大。己进化了几亿年的水生动物，其游泳的方式是多样化的，粗略可分为摆动法、划动法、水翼法、喷射法等。

⑴摆动法，是指鱼利用鳍的波浪式摆动来游泳。多数鱼类有较大的尾鳍，以尾鳍摆动产生向前的推力。如体长约18cm的鳟鱼摆动尾鳍2次，可从静止状态达到平均游泳速度1.33m/s 。但也有的尾鳍很小，体形细长、有易弯曲的脊推骨，如鳗鱼在游泳时身体前部保持直而不弯，后部则左右弯曲摆动。还有很多鱼

类也靠摆动背鳍、胸鳍和腹鳍来游泳；当要提高速度时，便把胸鳍贴着身体，用尾鳍摆动来辅助背鳍和腹鳍的运动。

⑵划动法，是指动物利用胸鳍、腿、鞭毛或纤毛划水游泳。蛙的幼体蝌蚪是靠尾部的摆动游泳的，长成蛙后便依靠后肢的划动游泳了。龙虱、水龟虫等鞘翅类和划蝽、仰泳蝽、田鳌等半翅类昆虫，其身体不能弯曲，靠扁形的后腿划游。衣滴虫用两根鞭毛划水（见水生昆虫的划动法游泳示意图）；草履虫是长着纤毛的细胞原生动物，纤毛长约10µm，相距约2µm，像是—艘由5000具浆划动的潜艇。在水面游泳的鼓虫，后腿划动每秒钟达50一60次，可前进达100cm，而且能分泌降低水表面张力的油类，故行动迅速。鸟类中有游禽，包括鸭、鹅、鸳鸯等靠腿的划动游泳，其趾间有蹼，当腿向后伸时蹼就展开，以增加对水的推力；而收腿时，蹼又褶缩，以减少对水的阻力。

⑶水翼法，是指动物使用其流线型运动器官游泳。以水翼法游泳的，多是体形较大的水生动物，如企鹅、海豚、鲸鱼、海龟、金枪鱼等。它们除了有流线型的体型外，还有流线型的运动器官。试验表明，体长1.9m的海豚游泳速度可达

21.0m/s 。

⑷喷射法，是指动物用其器官喷水以产生推力游泳。乌賊与章鱼的呼吸鳃位于套腔中，在头下方后端的腹面有—漏斗状构造和裂口。水可通达裂?进入套腔以供呼吸；套腔肌肉又可收缩，将水迅速挤出，以产生推力。体长0.2m的章鱼，由静止状态收缩—次，在水中推进的速度可达2.1m/s 。还有扇贝，利用闭壳肌舒展收缩来开合两壳，将水从套膜腔挤出去而实现游泳。

工程技术专家希望通过对水生动物游泳力学原理的了解，获得启示，以改进现有民用或军用船舰，设计制造新型高效船舰，设计制造智能机器鱼、潜行机器人。目前人们对鱼类游泳的研究与模仿均还很不够，例如船用螺旋桨的流体推进效率还未超过40﹪，而鱼游的相应效率可达80﹪以上。鱼游的高机动性、稳定性，低噪声等指标，更为潜艇所望尘莫及。

参考文献［2］曾介绍国内外鱼类游动推进机制的研究情况，以及美、日对智能机器鱼的研制情况。研制机器鱼，除模拟鱼游动的局部功能外，其主要应用目的是军事侦察、海洋考察、寻找污染源头等用途。

在競技体育运动方面，也希望借鉴、模仿水生动物的游泳，以提高运动能力和水平，夺取更多的金牌，为国争光。据了解，我国这方面的研究和应用有很成功的例子：

2001年在世界蹼泳10个项目的比赛中，俄罗斯队夺得8枚金牌，中国队仅获1枚金牌，远远落后于俄。为改变落后的情况，武汉体育学院等单位在北京大学力学系陈耀松教授的指导和帮助下，对蹼泳的水动力学进行了研究，研制了蹼泳板运动仿真模拟设备，一方面进行蹼泳板的非定常数值模拟，另一方面参考数值模拟结果，在循环水槽中对不同类型的蹼泳板，进行了大量的测试实验。依据这些结果，在蹼泳板的选材、设计和制作上，针对不同运动员的身体特点，采取不同的措施，对运动技术不断完善，使运动水平有了喜人的突破。在2002年9月举行的第11屆蹼泳世界锦标赛上，中国队打破了1项世界纪录，夺得13枚金牌和8枚银牌，仅用了l年时间就战胜了俄罗斯队。

2.飞行

人类自古以来就幻想模仿乌在空中飞行，制造由人工支配的翼，冒险地进行飞行实验。屈原在《离骚》诗中曾描述了空中飞行，想象自己像鸟一样展翅飞翔，又期望驾云雾腾空。达.芬奇自30岁起用了20余年时间，认真研究鸟类的飞行，完成了《论鸟的飞行》研究手稿，论述了鸟的飞行原理。美国的莱特兄弟仔细观察和分析鸽子的飞行，于1903年12月17日，成功地进行了人类第一架有动力、可操纵的载人飞机的飞行试验。以后的100年，经历了第一次和第二次世界大战，飞机得到了飞快的发展，并已向太空延伸，进入到航天时代。

动物界能飞行得最好的是鸟类和昆虫。当然也有例外，哺乳动物的蝙蝠，也是善于飞行的。航空100年来，人对鸟类作了不少研究和模仿，制造了各类定翼飞行器和旋翼飞行器，但实际上对鸟类和昆虫飞行原理的了解均还较浮浅，尤其是对昆虫研究和模仿得还相当少。

昆虫是动物界种类最多的类群，现己定名的昆虫已达七、八十万种，还有数倍于此的昆虫尚未能鉴定、命名。昆虫主要在陆地生活，分布很广，对环境的适应性很强，这主要是因为它们能够飞行。昆虫的翅与鸟类的翅不同，它们不是由前肢演化而来，而是由体节的背板向两侧扩展变成的。昆虫的翅生长在胸部。除蚊、绳等双翅类的昆虫外，昆虫—般都有两对翅，生在中胸和后胸，分别称为前