王振東:漫話動物運動對仿生力學的啟示
發(fā)布時間:2020-06-03 來源: 美文摘抄 點擊:
動物和其它生物間最重要的區(qū)別,在于它們擁有經(jīng)過億萬年漫長的演化過程,形成了優(yōu)化的器官和組織,能巧妙地通過運動,主動有目的地迅速改變其空間位置。為了生存,動物在運動中發(fā)展了不同的運動本領,以提高其生命效力和生活質量。動物的運動大體可分為游泳、行走、奔跑、跳躍、爬行、飛行等類型。無論哪種類型的運動,動物既要向前行進,又須適應地心吸力的作用,以維持身體的平衡。在有些情況下,尚須發(fā)展附著的能力,例如壁虎在豎立的墻壁上行走。
本文將漫話動物的運動,及對仿生力學的—些啟示。思考這一話題,至少可對以下幾方面有益:
、爬脛游镞\動的力學機理,為民用或軍用的目的,考慮如何改進現(xiàn)有的機械設備和工具,或設計制造新型的仿生高效機械設備和工具。
⑵模仿動物行走、奔跑、跳躍、游泳、飛行、爬行的特點,設計、制造相應有不同特色和應用范圍的智能機器人(亦分別可稱為智能行走器、智能機器魚、智能潛行器、智能爬行器、智能飛行器等),既可在地球上某些特殊環(huán)境下使用,以達到特定的目的;
又可以為到月球、火星等別的星體上探測、研究時使用。
⑶在競技體育運動上,根據(jù)動物行走、奔跑、跳躍、游泳的特點,吸取其奧秘,提高運動能力和水平,以做到“更高、更快、更強”。
1、游泳
在水中生活的動物種類多、數(shù)量大,F(xiàn)在普遍認為,生命是起源于水中的。水生動物適應水中的環(huán)境,其運動形式以游泳為主。水是水生動物運動的媒質,其質量比空氣重得多。水生動物要受到水的浮力,其在水中的運動阻力亦要比在空氣中大。己進化了幾億年的水生動物,其游泳的方式是多樣化的,粗略可分為擺動法、劃動法、水翼法、噴射法等。
⑴擺動法,是指魚利用鰭的波浪式擺動來游泳。多數(shù)魚類有較大的尾鰭,以尾鰭擺動產(chǎn)生向前的推力。如體長約18cm的鱒魚擺動尾鰭2次,可從靜止狀態(tài)達到平均游泳速度1.33m/s 。但也有的尾鰭很小,體形細長、有易彎曲的脊推骨,如鰻魚在游泳時身體前部保持直而不彎,后部則左右彎曲擺動。還有很多魚類也靠擺動背鰭、胸鰭和腹鰭來游泳;
當要提高速度時,便把胸鰭貼著身體,用尾鰭擺動來輔助背鰭和腹鰭的運動。
、苿潉臃,是指動物利用胸鰭、腿、鞭毛或纖毛劃水游泳。蛙的幼體蝌蚪是靠尾部的擺動游泳的,長成蛙后便依靠后肢的劃動游泳了。龍虱、水龜蟲等鞘翅類和劃蝽、仰泳蝽、田鰲等半翅類昆蟲,其身體不能彎曲,靠扁形的后腿劃游。衣滴蟲用兩根鞭毛劃水;
草履蟲是長著纖毛的細胞原生動物,纖毛長約10µm,相距約2µm,像是—艘由5000具漿劃動的潛艇。在水面游泳的鼓蟲,后腿劃動每秒鐘達50—60次,可前進達100cm,而且能分泌降低水表面張力的油類,故行動迅速。鳥類中有游禽,包括鴨、鵝、鴛鴦等靠腿的劃動游泳,其趾間有蹼,當腿向后伸時蹼就展開,以增加對水的推力;
而收腿時,蹼又褶縮,以減少對水的阻力。
、撬矸,是指動物使用其流線型運動器官游泳。以水翼法游泳的,多是體形較大的水生動物,如企鵝、海豚、鯨魚、海龜、金槍魚等。它們除了有流線型的體型外,還有流線型的運動器官。試驗表明,體長1.9m的海豚游泳速度可達21.0m/s 。
、葒娚浞,是指動物用其器官噴水以產(chǎn)生推力游泳。烏賊與章魚的呼吸鰓位于套腔中,在頭下方后端的腹面有—漏斗狀構造和裂口。水可通達裂듀進入套腔以供呼吸;
套腔肌肉又可收縮,將水迅速擠出,以產(chǎn)生推力。體長0.2m的章魚,由靜止狀態(tài)收縮—次,在水中推進的速度可達2.1m/s 。還有扇貝,利用閉殼肌舒展收縮來開合兩殼,將水從套膜腔擠出去而實現(xiàn)游泳。
工程技術專家希望通過對水生動物游泳力學原理的了解,獲得啟示,以改進現(xiàn)有民用或軍用船艦,設計制造新型高效船艦,設計制造智能機器魚、潛行機器人。目前人們對魚類游泳的研究與模仿均還很不夠,例如船用螺旋槳的流體推進效率還未超過40﹪ ,而魚游的相應效率可達80﹪以上。魚游的高機動性、穩(wěn)定性,低噪聲等指標,更為潛艇所望塵莫及。
文獻[2]曾介紹國內(nèi)外魚類游動推進機制的研究情況,以及美、日對智能機器魚的研制情況。研制機器魚,除模擬魚游動的局部功能外,其主要應用目的是軍事偵察、海洋考察、尋找污染源頭等用途。
在競技體育運動方面,也希望借鑒、模仿水生動物的游泳,以提高運動能力和水平,奪取更多的金牌,為國爭光。據(jù)了解,我國這方面的研究和應用有很成功的例子:
2001年在世界蹼泳10個項目的比賽中,俄羅斯隊奪得8枚金牌,中國隊僅獲1枚金牌,遠遠落后于俄。為改變落后的情況,武漢體育學院等單位在北京大學力學系陳耀松教授的指導和幫助下,對蹼泳的水動力學進行了研究,研制了蹼泳板運動仿真模擬設備,一方面進行蹼泳板的非定常數(shù)值模擬,另一方面參考數(shù)值模擬結果,在循環(huán)水槽中對不同類型的蹼泳板,進行了大量的測試實驗。依據(jù)這些結果,在蹼泳板的選材、設計和制作上,針對不同運動員的身體特點,采取不同的措施,對運動技術不斷完善,使運動水平有了喜人的突破。在2002年9月舉行的第11屆蹼泳世界錦標賽上,中國隊打破了1項世界紀錄,奪得13枚金牌和8枚銀牌,僅用了l年時間就戰(zhàn)勝了俄羅斯隊。
2、飛行
人類自古以來就幻想模仿烏在空中飛行,制造由人工支配的翼,冒險地進行飛行實驗。屈原在《離騷》詩中曾描述了空中飛行,想象自己像鳥一樣展翅飛翔,又期望駕云霧騰空。達.芬奇自30歲起用了20余年時間,認真研究鳥類的飛行,完成了《論鳥的飛行》研究手稿,論述了鳥的飛行原理。美國的萊特兄弟仔細觀察和分析鴿子的飛行,于1903年12月17日,成功地進行了人類第一架有動力、可操縱的載人飛機的飛行試驗。以后的100年,經(jīng)歷了第一次和第二次世界大戰(zhàn),飛機得到了飛快的發(fā)展,并已向太空延伸,進入到航天時代。
動物界能飛行得最好的是鳥類和昆蟲。當然也有例外,哺乳動物的蝙蝠,也是善于飛行的。航空100年來,人對鳥類作了不少研究和模仿,制造了各類定翼飛行器和旋翼飛行器,但實際上對鳥類和昆蟲飛行原理的了解均還較浮淺,尤其是對昆蟲研究和模仿得還相當少。
昆蟲是動物界種類最多的類群,現(xiàn)己定名的昆蟲已達七、八十萬種,還有數(shù)倍于此的昆蟲尚未能鑒定、命名。昆蟲主要在陸地生活,分布很廣,對環(huán)境的適應性很強,這主要是因為它們能夠飛行。昆蟲的翅與鳥類的翅不同,它們不是由前肢演化而來,而是由體節(jié)的背板向兩側擴展變成的。昆蟲的翅生長在胸部。除蚊、繩等雙翅類的昆蟲外,昆蟲—般都有兩對翅,生在中胸和后胸,分別稱為前翅和后翅。昆蟲翅基部都有小骨片和胸部相連,這為翅具備各種活動能力創(chuàng)造了條件,也是翅脈起始的地方。有很多昆蟲在停止時,把翅疊起來貼在背部,起飛時馬上將翅展開,撲擊飛行,如甲殼蟲、椿象等。也有不能疊翅的昆蟲,如蜻蜓、蜉蝣等的翅只能平伸,不能折疊。
昆蟲飛行時,翅的運動包括上下拍擊和前后傾折兩種基本動作。翅的上下拍擊,主要依靠背腹肌和背縱肌的交替收縮所造成。與翅基相連的前上側肌、后上側肌的交替收縮,分別拉動翅基的前上側片和后上側片,使翅面作前后傾斜活動。翅下拍時,其前緣向下方切入空氣;
翅上舉時,其前緣向上方切入空氣。這樣,翅上下拍擊一次,翅便沿自身的縱軸扭動一次。昆蟲不前進而拍動翅膀時,翅尖成“8”字運動;
前進拍動翅膀時,翅尖便造成—系列的開環(huán)運動。
總的來講,昆蟲的飛行是翅的拍擊造成的。翅的拍擊要有足夠的頻率和幅度,翅拍擊造成的氣流所產(chǎn)生的空氣動力,可分成向前的推力,促成蟲體前進,和向上的升力,以抵消蟲體的重力,使蟲體能漂浮在空氣中。翅的拍擊和轉動,將空氣推向后方和下方,使昆蟲能在空中漂浮前進。有些昆蟲能改變翅拍擊的斜度、幅度或頻率,以便在飛行中轉彎、倒退或停在空中。
昆蟲的體形大小對飛行活動很有影響。蚜小蜂是—種體形微小的昆蟲,翅長僅0.5mm。用高速攝影可知,其翅振頻率為240次/秒。蚜小蜂飛行時,其左右雙翅在每次上升到頂時,拍合后再行分離,并以翅前沿最早分離。蚜小蜂這種振翅方式,在翅的周圍產(chǎn)生了非定常旋渦,其力量足以舉起蚜小蜂的體重。據(jù)了解,近年來國內(nèi)外許多學者在對昆蟲的飛行機理進行研究,較細致地研究昆蟲翅膀拍動過程的空氣動力學原理,F(xiàn)也已有人在研究蚜小蜂振翅所產(chǎn)生非定常渦的機理,但至今尚還未能完全揭示其飛行奧秘。
蝙蝠是哺乳動物,它的前肢演化成為皮上有毛的翅膀。在滑翔時,它通過調節(jié)超前緣的迎角,降低高度而前進。在振翅飛行時,它依靠翅的上下?lián)鋼艨朔妨Χ斑M、上升。蝙蝠有機動性很強的慢飛動作,對其在空中捕食飛蟲十分有利。對于蝙蝠,人們對其飛行原理的研究也還不夠。
鳥類是人類最早注視并模仿的飛行對象,鳥類也是振翅飛行的,鳥翅是由脊椎動物的前肢演化而成的,鳥翅長著初級飛羽和次級飛羽,組成了鳥類的主要飛行器官。鳥類在飛行時,可變動雙翅的面積和形狀,及與軀體的相對位置,促成飛行時的機動性、以及起飛或停歇?墒侨祟惡娇100年模仿的結果,卻只是各類定翼飛行器和旋翼飛行器,其飛行原理仍與鳥類的飛行原理相去甚遠。
文獻[3][4]介紹了國內(nèi)外研究昆蟲飛行機理的情況,以及20世紀90年代開始研究智能微型飛行器的情況。
通過以上對動物飛行情況的討論,容易看出需要挑選幾種飛行本領卓越、用現(xiàn)行空氣動力學知識尚解釋不清的昆蟲(如蚜小蜂)、鳥類以及蝙蝠,進行深入地觀察、研究和實驗,探尋其飛行機理的奧秘,以供改善現(xiàn)有的飛行器、設計制造新型仿生高效飛行器、設計制造智能微型飛行器時參考。
3、行走、跳躍與爬行
人和鳥類都以雙腿行走,行走時其體重由雙腿交替負擔。用四肢行走的動物,當舉起一腿時,重心便落在其余三腿所組成的三角形之內(nèi)。昆蟲是六足動物,有很多種類的昆蟲善于行走,如蜚蠊、瓢蟲、步行蟲、椿象等。美洲蜚蠊在25℃溫度下,l秒鐘最快可行走130㎝。昆蟲行走時,一般均以—邊的前足、后足和另一邊的中足為—組,使身體重心處于另一組由另三足形成的三角形中,前進時二組交替進行。
很多昆蟲善于跳躍,有些鳥類和獸類也能跳躍。袋鼠、袋猴以跳躍代步,較為特殊;认x、蚱蜢、蟋蟀、跳蚤等昆蟲的后足特別發(fā)達,當其后足的腿節(jié)和腓節(jié)由褶折狀態(tài)突然伸直時,就產(chǎn)生了跳躍的動作。一只重3克的蝗蟲雙腿能產(chǎn)生初速為3.4m/s的力量跳離地面,跳躍的角度常為60°;
一只5齡的蝗蟲可跳30㎝高,70㎝遠。跳蚤跳躍最高15cm,最遠30cm。如果將幾種動物的跳躍能力和其身體長度作比較,青蛙能跳到自身長度的12倍,跳蚤可達200倍,而體形較大的袋鼠卻只有5倍。
在人類舉行的運動會中,跑和跳是傳統(tǒng)的田徑比賽項目。人跳高時的四肢動作與動物頗有相似之處,但起跳前有一助跑過程,以獲得重心上升的沖力,成績優(yōu)良的運動員可越過2m高的橫桿。跳運是利用一腿的力量,將身體重心向上、向前推進。優(yōu)秀運動員可跳7m以上。人跳遠時,身體在空中移動的軌跡與青蛙的跳躍頗相似,都須有一定的高度使身體離地面的時間較長。若重心提高的時間達1秒時,距離將可達9m之遠。是否可設想,將跳躍時,一跳離跳點較遠的動物(如青蛙)的高速攝影圖像,用計算機與某競技運動員的跳遠動作進行比較分析,以調整其動作,提高其運動成績。
在爬行類動物中,首先容易想到的是蛇。蛇的最大特點是脊椎數(shù)目多,常達160顆以上,最多的可到400顆以上。蛇是依靠身體不同部分的彎曲,獲得支撐物反作用所產(chǎn)生的力量前進的。蛇可以在十分狹窄的地方爬行(如進入鼠穴捕食),其身體一部分彎曲,形成的波浪向后移動,使整個身體得以前進。蛇爬行的許多活動自如的特點,是由于其軀體演化成長形、而無四肢所造成的。由此我們不妨可以設想,研究和模仿蛇的動作,設計制造出智能運動蛇,以達到某種特殊應用的目的。
和蛇相反的是多足爬行動物,如蜈蚣、馬陸、蚰蜒等。它們的身體分為頭和軀干兩部分,軀干由許多具有步足的體節(jié)組成。體節(jié)最少為11節(jié),最多的上百節(jié)。蜈蚣的足活動時,每足向后一推的時間比向前一扒的時間長,而且足推動時使驅干產(chǎn)生一個波動,從而向前進。腹足類軟體動物,如蝸牛、螺螄、蛞喻等,是用塊狀的足,附在固體上爬行?赏ㄟ^玻璃板來觀察蝸牛的爬行,若在足上預先滴一小滴墨水,可清楚看到蝸牛足的運動是由肌肉伸長和縮短的波形活動形成的。這些軟體動物爬行都不快,如蝸牛的爬行速度只約為2.5mm/s 。
綜上所述,觀察與研究動物的運動機理,模仿它們來制造各種有用的工具和設備,提高人類的競技運動水平,既是很有趣的事情,又是有重要意義的工作,應當引起人們更多的關注。
參考文獻
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關鍵詞:游泳、飛行,跳躍,動物運動,仿生力學
(原刊登于《力學與實踐》2005年27卷2期。提供天益發(fā)布時,又專門選配了彩圖。)
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