王振东:漫话动物运动对仿生力学的启示

选择字号:   本文共阅读 5498 次 更新时间:2006-12-20 13:06:28

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王振东 (进入专栏)  

  

  动物和其它生物间最重要的区别,在于它们拥有经过亿万年漫长的演化过程,形成了优化的器官和组织,能巧妙地通过运动,主动有目的地迅速改变其空间位置。为了生存,动物在运动中发展了不同的运动本领,以提高其生命效力和生活质量。动物的运动大体可分为游泳、行走、奔跑、跳跃、爬行、飞行等类型。无论哪种类型的运动,动物既要向前行进,又须适应地心吸力的作用,以维持身体的平衡。在有些情况下,尚须发展附着的能力,例如壁虎在竖立的墙壁上行走。

  本文将漫话动物的运动,及对仿生力学的—些启示。思考这一话题,至少可对以下几方面有益:

  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。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;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—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듀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。

  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,分别称为前翅和后翅。昆虫翅基部都有小骨片和胸部相连,这为翅具备各种活动能力创造了条件,也是翅脉起始的地方。有很多昆虫在停止时,把翅叠起来贴在背部,起飞时马上将翅展开,扑击飞行,如甲壳虫、椿象等。也有不能叠翅的昆虫,如蜻蜓、蜉蝣等的翅只能平伸,不能折叠。

  

  昆虫飞行时,翅的运动包括上下拍击和前后倾折两种基本动作。翅的上下拍击,主要依靠背腹肌和背纵肌的交替收缩所造成。与翅基相连的前上侧肌、后上侧肌的交替收缩,分别拉动翅基的前上侧片和后上侧片,使翅面作前后倾斜活动。翅下拍时,其前缘向下方切入空气;翅上举时,其前缘向上方切入空气。这样,翅上下拍击一次,翅便沿自身的纵轴扭动一次。昆虫不前进而拍动翅膀时,翅尖成“8”字运动;前进拍动翅膀时,翅尖便造成—系列的开环运动。

  总的来讲,昆虫的飞行是翅的拍击造成的。翅的拍击要有足够的频率和幅度,翅拍击造成的气流所产生的空气动力,可分成向前的推力,促成虫体前进,和向上的升力,以抵消虫体的重力,使虫体能漂浮在空气中。翅的拍击和转动,将空气推向后方和下方,使昆虫能在空中漂浮前进。有些昆虫能改变翅拍击的斜度、幅度或频率,以便在飞行中转弯、倒退或停在空中。

  昆虫的体形大小对飞行活动很有影响。蚜小蜂是—种体形微小的昆虫,翅长仅0.5mm。用高速摄影可知,其翅振频率为240次/秒。蚜小蜂飞行时,其左右双翅在每次上升到顶时,拍合后再行分离,并以翅前沿最早分离。蚜小蜂这种振翅方式,在翅的周围产生了非定常旋涡,其力量足以举起蚜小蜂的体重。据了解,近年来国内外许多学者在对昆虫的飞行机理进行研究,较细致地研究昆虫翅膀拍动过程的空气动力学原理。现也已有人在研究蚜小蜂振翅所产生非定常涡的机理,但至今尚还未能完全揭示其飞行奥秘。

  蝙蝠是哺乳动物,它的前肢演化成为皮上有毛的翅膀。在滑翔时,它通过调节超前缘的迎角,降低高度而前进。在振翅飞行时,它依靠翅的上下扑击克服曳力而前进、上升。蝙蝠有机动性很强的慢飞动作,对其在空中捕食飞虫十分有利。对于蝙蝠,人们对其飞行原理的研究也还不够。

  鸟类是人类最早注视并模仿的飞行对象,鸟类也是振翅飞行的,鸟翅是由脊椎动物的前肢演化而成的,鸟翅长着初级飞羽和次级飞羽,组成了鸟类的主要飞行器官。鸟类在飞行时,可变动双翅的面积和形状,及与躯体的相对位置,促成飞行时的机动性、以及起飞或停歇。可是人类航空100年模仿的结果,却只是各类定翼飞行器和旋翼飞行器,其飞行原理仍与鸟类的飞行原理相去甚远。

  文献[3][4]介绍了国内外研究昆虫飞行机理的情况,以及20世纪90年代开始研究智能微型飞行器的情况。

  通过以上对动物飞行情况的讨论,容易看出需要挑选几种飞行本领卓越、用现行空气动力学知识尚解释不清的昆虫(如蚜小蜂)、鸟类以及蝙蝠,进行深入地观察、研究和实验,探寻其飞行机理的奥秘,以供改善现有的飞行器、设计制造新型仿生高效飞行器、设计制造智能微型飞行器时参考。

  

  

  3、行走、跳跃与爬行

  

  人和鸟类都以双腿行走,行走时其体重由双腿交替负担。用四肢行走的动物,当举起一腿时,重心便落在其余三腿所组成的三角形之内。昆虫是六足动物,有很多种类的昆虫善于行走,如蜚蠊、瓢虫、步行虫、椿象等。美洲蜚蠊在25℃温度下,l秒钟最快可行走130㎝。昆虫行走时,一般均以—边的前足、后足和另一边的中足为—组,使身体重心处于另一组由另三足形成的三角形中,前进时二组交替进行。

  很多昆虫善于跳跃,有些鸟类和兽类也能跳跃。袋鼠、袋猴以跳跃代步,较为特殊。蝗虫、蚱蜢、蟋蟀、跳蚤等昆虫的后足特别发达,当其后足的腿节和腓节由褶折状态突然伸直时,就产生了跳跃的动作。一只重3克的蝗虫双腿能产生初速为3.4m/s的力量跳离地面,跳跃的角度常为60°;一只5龄的蝗虫可跳30㎝高,70㎝远。跳蚤跳跃最高15cm,最远30cm。如果将几种动物的跳跃能力和其身体长度作比较,青蛙能跳到自身长度的12倍,跳蚤可达200倍,而体形较大的袋鼠却只有5倍。

  在人类举行的运动会中,跑和跳是传统的田径比赛项目。人跳高时的四肢动作与动物颇有相似之处,但起跳前有一助跑过程,以获得重心上升的冲力,成绩优良的运动员可越过2m高的横杆。跳运是利用一腿的力量,将身体重心向上、向前推进。优秀运动员可跳7m以上。人跳远时,身体在空中移动的轨迹与青蛙的跳跃颇相似,都须有一定的高度使身体离地面的时间较长。若重心提高的时间达1秒时,距离将可达9m之远。是否可设想,将跳跃时,一跳离跳点较远的动物(如青蛙)的高速摄影图像,用计算机与某競技运动员的跳远动作进行比较分析,以调整其动作,提高其运动成绩。

  在爬行类动物中,首先容易想到的是蛇。蛇的最大特点是脊椎数目多,常达160颗以上,最多的可到400颗以上。蛇是依靠身体不同部分的弯曲,获得支撑物反作用所产生的力量前进的。蛇可以在十分狭窄的地方爬行(如进入鼠穴捕食),其身体一部分弯曲,形成的波浪向后移动,使整个身体得以前进。蛇爬行的许多活动自如的特点,是由于其躯体演化成长形、而无四肢所造成的。由此我们不妨可以设想,研究和模仿蛇的动作,设计制造出智能运动蛇,以达到某种特殊应用的目的。

  

  和蛇相反的是多足爬行动物,如蜈蚣、马陆、蚰蜒等。它们的身体分为头和躯干两部分,躯干由许多具有步足的体节组成。体节最少为11节,最多的上百节。蜈蚣的足活动时,每足向后一推的时间比向前一扒的时间长,而且足推动时使驱干产生一个波动,从而向前进。腹足类软体动物,如蜗牛、螺蛳、蛞喻等,是用块状的足,附在固体上爬行。可通过玻璃板来观察蜗牛的爬行,若在足上预先滴一小滴墨水,可清楚看到蜗牛足的运动是由肌肉伸长和缩短的波形活动形成的。这些软体动物爬行都不快,如蜗牛的爬行速度只约为2.5mm/s 。

  

  

  

  综上所述,观察与研究动物的运动机理,模仿它们来制造各种有用的工具和设备,提高人类的競技运动水平,既是很有趣的事情,又是有重要意义的工作,应当引起人们更多的关注。

  

  参考文献

  1、钦俊德,动物的运动,北京:清华大学出版社,广州:暨南大学出版社,2000

  2、童秉纲,鱼类波状游动的推进机制,力学与实践,2000,22(3):69一74

  3、崔尔杰,生物运动仿生力学与智能微型飞行器,力学与实践,2004,26(2):1一8

  4、孙茂,昆虫是怎样飞行的,力学与实践,2004,26(1):80一83

  5、武际可,人类飞起来前后,力学与实践,2003,25(6):76一80

  6、李艳平、戴念祖,漫话中国古代的飞行,力学与实践,2004,26(3):90—92

  7、李成智,飞机百年发展与空气动力学,力学与实践,2003,25(6):1—13

  关键词:游泳、飞行,跳跃,动物运动,仿生力学

  

  (原刊登于《力学与实践》2005年27卷2期。提供天益发布时,又专门选配了彩图。)

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