鱼尾摆与扑翼的仿生建模

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1、鱼尾摆与扑翼的仿生建模作者段霄驰包钢一中内蒙古包头市014010[摘要]仿生学的诞生与发展加快了人类探索未知世界的步伐，人类在仿生学的诸多领域取得了非常骄人的成绩，其中尤以仿鱼、仿鸟的研究最为久远，也最为广泛。上世纪初美国的莱特兄弟发明了飞机，人类的飞天梦得以实现，仿生研究开始进入了实质性的理论研究阶段。实际上，人类的仿生行为由来已久，摇橹摆渡，放飞风筝，都是仿生学的杰作。不过，仿生学的真正兴起却始于上世纪六、七十年代，由于交通运输的需要，由于军事的需要，极大的推动了仿生学的研究,空气动力学、流体力学就是在这样

2、的环境背景下快速发展，并逐渐趋于完善。目前，固定翼飞行器、旋翼飞行器、大型舰艇船只的推进技术已经比较成熟，但扑翼飞行器与仿生鱼的研究还有待于进一步探究。本文从鱼和鸟的运动机能出发，着眼于鱼游动与鸟飞行的动力原理，提出全新的建模理念：（1）鱼尾摆与扑翼应为弹性结构，而非一些专利文件和相关资料所述的刚性或柔性结构；（2）建立简单可行的数学、物理模型；（3）创建应用模型，构造新的驱动模式，进行优化仿生；（4）仿生就是仿形、仿理、仿自然。本文拟将通过分析鸟和鱼的运动机理，从理论和实践两方面对鱼尾摆和扑翼的仿生建模进行阐

3、述，力求在仿生领域独树一帜，引领潮流.[关键词]鱼尾摆；扑翼；弹性；建模；优化仿生一．仿生学概述什么是仿生学？仿生学仿什么？怎么仿？仿生学就是模仿生物的某种构造和功能，用来提高工程技术的综合指标和性能。模仿蜻蜓、苍蝇的视觉原理，我们发明了电子复眼；模仿海豚、蝙蝠的探物机理，我们发明了声纳雷达；模仿鸟的飞行效果，我们发明了飞机（包括固定翼飞机，旋翼飞机和扑翼飞机）。但人类在仿生学的进程中并非一帆风顺，一路凯歌。我们知道，鱼、鸟、蜻蜓是没有思维能力的，它们游动、飞行、视物都是出于自然的本能反应，而自然本能的东西应该

4、是最简单、最直接、最省时省力的方式。仿生就是模仿生物的形态、构造等几何属性，就是模仿生物的运动变化机理，就是模仿生物自然本能的东西，简言之就是仿形、仿理、仿自然。二．仿生建模的意义仿生建模对生产实践有着非常广泛非常重要的指导意义。由于牛顿三大运动定律的产生,我们对世间万物有了较为清晰较为深刻的认识;由于爱因斯坦相对论的提出,我们感知了茫茫宇宙的奥妙无穷。牛顿三大运动定律从力学角度精辟16的概括了物体运动的本质规律,对人类认识世界改造世界起到了巨大的推动作用.而相对论的提出又让我们对未知世界充满了好奇,让我们遐思

5、神往.不过,体现牛顿运动定律和爱因斯坦质能方程的数学模型却极其简单。牛顿第二运动定律：Ｆ＝ｍａ，其中ｍ是物体的质量，Ｆ是物体在运动方向上所受的力，ａ是物体运动的加速度。这个方程所表达的意义是：物体在运动过程中的加速度与物体所受的力的大小成正比，与物体的质量成反比。再看爱因斯坦的质能方程：，其中ｍ是物质质量，ｃ是光速，Ｅ是物质所具有的能量。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的，一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一

6、个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加.正是根据这些经典理论，工业革命得以迅猛发展；正是根据这些经典理论，我们迎来了原子能的时代。仿生建模的意义在于，一是把现实世界中普遍存在的规律性的现象高度抽象概括，归纳出一般性的结论，给出物理（材料、力学）、数学（几何、代数）模型，二是用一般性的结论（性质、定理、公式、方程等）去指导生产实践。而力学模型的给出必须高度依赖牛顿三大运动定律（一般的运动物体达不到光速，也不可能跌入黑洞，相对论在这里还派不上用场），脱离了“牛三”定律去研究运动现象，就像建高楼没有打桩一样，是

7、很不靠谱的。数学模型的建立，一要解释证明相应的物理现象、物理规律，二要指导生产实践，建模应建立在应用的基础上。因此仿生建模必须有高度的概括性，简单明了，直指要害,同时要有较强的可操作性（包括设计、加工、生产），能直接应用于生产实践。三．建模从应用的角度看，仿生建模应该解决好两方面的问题，一是模型的物理属性（材料力学性能、运动力学原理），二是模型的数学属性（包括几何形状、代数表征），二者缺一不可。鱼在水中游动，鸟在天上飞行，一个在水里，一个在天上，看似两不相干，实则紧密相连。我们知道鱼在水中畅游是由尾鳍的摆动提供

8、动力，而鸟在天空翱翔则是翼翅的扑动所致，它们的力学原理是相同的，都和流体力学有着密切的关系。16不论是建筑业，还是制造业，还是科学研究，材料学已经成为我们的主流学科渗透到各行各业，研究仿生学更要研究材料。在已经公开的一些资料及已经上市的一些产品中，扑翼飞行器的翼翅与仿生鱼的尾鳍主要采用了两种结构：一种是刚性结构（运动过程中基本没有形变），一种是柔性结构（运动过程中形变较大）。这两种结构