仿生课件4水生仿生

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1、水生仿生学水生仿生学水生仿生学水生仿生学水生仿生学水生仿生学 华东理工大学生物工程学院华东理工大学生物工程学院 李春秀李春秀李春秀李春秀 水生动物水生动物水生动物水生动物 水生动物最常见的是鱼（水生动物最常见的是鱼（fish），此外还有腔肠动物，如海葵、海蜇、珊瑚虫；），此外还有腔肠动物，如海葵、海蜇、珊瑚虫； 软体动物软体动物如乌贼如乌贼章鱼章鱼壳动物壳动物如虾如虾蟹蟹其他动物其他动物如海如海哺乳动哺乳动软体动物软体动物，如乌贼如乌贼、章鱼章鱼；甲；甲壳动物壳动物，如虾如虾、蟹蟹；其他动物其他动物，如海如海豚（豚（哺乳动哺乳动 物）、龟（爬行动物）等其他生物。物）、龟（爬行动物）等其他生物。

2、 视频 “海底奇观”视频 “海底奇观” 游泳动动物对运动力学的启示游泳动动物对运动力学的启示一 游泳动动物对运动力学的启示游泳动动物对运动力学的启示 在水中生活的动物种类多在水中生活的动物种类多数量大现在普遍认数量大现在普遍认在水中生活的动物种类多在水中生活的动物种类多、数量大现在普遍认数量大现在普遍认 为，生命是起源于水中的，水生动物适应水中的为，生命是起源于水中的，水生动物适应水中的 环境环境其运动形式以游泳为主其运动形式以游泳为主环境环境，其运动形式以游泳为主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

3、水生动物要受到水的浮力其在水中的运动阻其在水中的运动阻，水生动物要受到水的浮力水生动物要受到水的浮力，其在水中的运动阻其在水中的运动阻 力亦要比在空气中大力亦要比在空气中大. 进化了几亿年的水生动物进化了几亿年的水生动物其游泳的方式是多其游泳的方式是多 己己进化了几亿年的水生动物进化了几亿年的水生动物，其游泳的方式是多其游泳的方式是多 样化的，粗略可分为样化的，粗略可分为摆动法、划动法、水翼法、摆动法、划动法、水翼法、 喷射法喷射法等等喷射法喷射法等等。 1.1 摆动法，是指鱼利用鳍的波浪式摆动来摆动法，是指鱼利用鳍的波浪式摆动来 游泳游泳.多数鱼类有较大的尾鳍多数鱼类有较大的尾鳍，以尾鳍摆动

4、以尾鳍摆动游泳游泳 多数鱼类有较大的尾鳍多数鱼类有较大的尾鳍，以尾鳍摆动以尾鳍摆动 产生向前的推力产生向前的推力. 鱼类运动的主要方式是摆动鱼类运动的主要方式是摆动鱼类运动的主要方式是摆动鱼类运动的主要方式是摆动 鱼类运动时有三种方式交替结合进行的鱼类运动时有三种方式交替结合进行的鱼类运动时有三种方式交替结合进行的鱼类运动时有三种方式交替结合进行的： （ ： （1）肌肉的交换伸缩使鱼体左右摆动；）肌肉的交换伸缩使鱼体左右摆动； （2）鳍的摆动；）鳍的摆动； （3）鳃孔向后喷水鳃孔向后喷水（3）鳃孔向后喷水鳃孔向后喷水 鱼类的体形与运动鱼类的体形与运动 1.纺锤型纺锤型 这这是是鱼鱼类的标类的标

5、是类的标是类的标 准体形，也是 比 准体形，也是 比较常见的体较常见的体较常见的体较常见的体 形。形。 2侧扁型侧扁型 2侧扁型侧扁型 这种鱼类头这种鱼类头 尾轴较短尾轴较短背背尾轴较短尾轴较短，背背 腹轴较长，左腹轴较长，左 右轴最短右轴最短身身右轴最短右轴最短，身身 体呈扁而高得体呈扁而高得 侧扁型侧扁型侧扁型侧扁型 鳊鱼、鲂鱼、鳊鱼、鲂鱼、 鲢鱼鲢鱼、鲳鱼等鲳鱼等鲢鱼鲢鱼、鲳鱼等鲳鱼等 都属于这一体都属于这一体 形的形的鱼鱼类类。形的类形的类 窄扁而体长的侧扁型窄扁而体长的侧扁型窄扁而体长的侧扁型窄扁而体长的侧扁型 类，象带鱼、刀鱼等，类，象带鱼、刀鱼等， 游泳速度较快游泳速度较快带鱼带

6、鱼游泳速度较快游泳速度较快，带鱼带鱼 能似蛇一般的扭动身能似蛇一般的扭动身 体在水中迅速前进体在水中迅速前进体在水中迅速前进体在水中迅速前进 平扁型平扁型这这 3平扁型平扁型这这 种鱼类背腹轴很近，种鱼类背腹轴很近， 左右轴较长左右轴较长由于由于左右轴较长左右轴较长，由于由于 两侧的胸鳍和体躯两侧的胸鳍和体躯 已退化愈合在已退化愈合在一一起起已退化愈合在起已退化愈合在起， 组成一个平扁型的 ， 组成一个平扁型的 体形体形，如魟如魟、鳐等鳐等体形体形，如魟如魟、鳐等鳐等 鱼类。 这些鱼类长期生 鱼类。 这些鱼类长期生 活在水的地层，动 作特别缓慢。 活在水的地层，动 作特别缓慢。 鳐目目（學名學

7、名Rajiformes）鳐目目（學名學名Rajiformes） 4棍棒型棍棒型这类鱼头 尾轴特别长，背腹轴和 这类鱼头 尾轴特别长，背腹轴和 左右轴均短小，身体呈 头小尾尖的长园棍型。 左右轴均短小，身体呈 头小尾尖的长园棍型。 如鳗鱼、鳝鱼等。这种 鱼类多是无鳞粘滑的身 如鳗鱼、鳝鱼等。这种 鱼类多是无鳞粘滑的身 体，适合于钻泥入穴， 穿缝过草的生活，游泳 体，适合于钻泥入穴， 穿缝过草的生活，游泳 鳗鳗 鱼鱼 动作也较慢。动作也较慢。 鳗鳗 鱼鱼 肌肉交换伸缩，肌肉交换伸缩， 使身体左右摆使身体左右摆使身体左右摆使身体左右摆 动，是鱼类游动，是鱼类游 行的主要动力行的主要动力行的主要动力行

8、的主要动力 1.2 划动法，是指动物利用胸鳍、腿、鞭毛或纤毛划水游泳划动法，是指动物利用胸鳍、腿、鞭毛或纤毛划水游泳.蛙的幼体拼蛙的幼体拼 料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料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 龙虱龙虱水龟虫等鞘翅类和划蜷水龟虫等鞘翅类和划蜷仰泳蜻仰泳蜻田鳌等半翅类昆虫田鳌等半翅类昆虫其身体其身体龙虱龙虱、水龟虫等鞘翅类和划蜷水龟虫等鞘翅类和划蜷、仰泳蜻仰泳蜻、田鳌等半翅类昆虫田鳌等半翅类昆虫，其身体其身体 不能弯曲，靠扁形的后腿划游不能弯曲，靠扁形的后腿划游. 龙虱龙虱 仰泳蜻仰泳蜻 衣滴虫用两根鞭毛划水衣滴虫用两根鞭毛划水;草履虫是长

9、着纤毛的细胞原生动物，纤毛长 约 草履虫是长着纤毛的细胞原生动物，纤毛长 约lopm，相距约，相距约2/m，像是一艘由，像是一艘由5000具浆划动的潜艇具浆划动的潜艇.在水面游泳在水面游泳 的鼓虫，后腿划动每秒钟达的鼓虫，后腿划动每秒钟达50“60次，可前进达次，可前进达100 cm，而且能分泌 降低水表面张力的油类，故行动迅速 ，而且能分泌 降低水表面张力的油类，故行动迅速. 衣滴虫衣滴虫 草履虫草履虫 衣滴虫衣滴虫 草履虫草履虫 鸟类中有游禽，包括鸭、鹅、鸳鸯等，靠腿的划动游鸟类中有游禽，包括鸭、鹅、鸳鸯等，靠腿的划动游 泳泳其趾间有蹼其趾间有蹼当腿向后伸时蹼就展开当腿向后伸时蹼就展开以增

10、加对以增加对泳泳，其趾间有蹼其趾间有蹼，当腿向后伸时蹼就展开当腿向后伸时蹼就展开，以增加对以增加对 水的推力水的推力;而收腿时，蹼又褶缩，以减少对水的阻力而收腿时，蹼又褶缩，以减少对水的阻力 鸭鸭 鸳鸯鸳鸯 1 3水翼法水翼法是指动物使用其流线型运动器官游泳是指动物使用其流线型运动器官游泳 以水翼法游泳的以水翼法游泳的1.3水翼法水翼法，是指动物使用其流线型运动器官游泳是指动物使用其流线型运动器官游泳.以水翼法游泳的以水翼法游泳的， 多是体形较大的水生动物，如企鹅、海豚、鲸鱼、海龟、金枪鱼等 ， 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

11、的运动器官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，体试验表明，体 长长1 9 m的海豚游泳速度可达的海豚游泳速度可达21 0 m/s长长1.9 m的海豚游泳速度可达的海豚游泳速度可达21.0 m/s。 1.4喷射法，是指动物用其器官喷水以产生推力游泳喷射法，是指动物用其器官喷水以产生推力游泳.乌贼与章鱼的呼吸鳃位 于套腔中，在头下方后端的腹面有一漏斗状构造和裂口 乌贼与章鱼的呼吸鳃位 于套腔中，在头下方后端的腹面有一漏斗状构造和裂口.水可通达裂口进入套 腔以供呼吸 水可通达裂口进入套 腔以供呼吸;套腔肌肉又可收缩，将水迅速挤出，以产生推力套腔肌肉又可收缩，将水迅速挤出，以产生

12、推力.体长体长0.2 m的章的章 鱼，由静止状态收缩一次，在水中推进的速度可达鱼，由静止状态收缩一次，在水中推进的速度可达2.1 m/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。 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。 古代人们向鱼学习了什么？古代人们向鱼学习了什么？ 船形船形 船桨船桨 船舵船舵 船舵船舵 鱼类是最古老的真骨类脊椎动物之一鱼类是最古老的真骨类脊椎动物之一 经历了漫长的适应环境的自然选择过程经历了漫长的适应环境的自然选择过程 因因经历了漫长的适应环境的自然选择过程经历了漫长的适应环境的自然选择过程, 因因 此进

13、化了各具特色的水中运动的非凡能力。此进化了各具特色的水中运动的非凡能力。 可以在持久匀速下保持低能耗可以在持久匀速下保持低能耗高效率高效率 可以在持久匀速下保持低能耗可以在持久匀速下保持低能耗、高效率高效率 也可以在拉力或爆发游速下实现高机动性也可以在拉力或爆发游速下实现高机动性。也可以在拉力或爆发游速下实现高机动性也可以在拉力或爆发游速下实现高机动性。 仿生机器鱼的研究仿生机器鱼的研究仿生机器鱼的研究仿生机器鱼的研究 ?伴随着人类文明的发展伴随着人类文明的发展,可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海 洋面积占地球面积的洋面积占地球面积的71% 海

14、洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源21洋面积占地球面积的洋面积占地球面积的71% ,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21 世纪是海洋的世纪世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐 加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下 随着科技的发展逐渐 加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下 侦查和跟踪功能的水下机器人侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的 重要工具。 已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的

15、 重要工具。 ? 采用传统螺旋桨推进器的水下机器人采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧? 采用传统螺旋桨推进器的水下机器人采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧 向的涡流向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率增加能量消耗、降低推进效率,且有噪声。海洋生物中的鱼类且有噪声。海洋生物中的鱼类,种 类繁多、形态各异 种 类繁多、形态各异,经过亿万年的进化经过亿万年的进化,使其具有了非凡的游动能力。鱼类使其具有了非凡的游动能力。鱼类 通过身体运动推动周围的水通过身体运动推动周围的水 以此来获

16、得推进力以此来获得推进力 对于涡流的精确控制使得对于涡流的精确控制使得通过身体运动推动周围的水通过身体运动推动周围的水,以此来获得推进力以此来获得推进力,对于涡流的精确控制使得对于涡流的精确控制使得 鱼类游动推进效率高、机动性好。鱼类游动推进效率高、机动性好。 ? 模仿鱼类的游动推进模式模仿鱼类的游动推进模式,研制出研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以用以 进行水复杂境作业进行水复杂境作业经成为究人员追求的标经成为究人员追求的标进行水进行水下下复杂复杂环环境作业境作业,已已经成为经成为研研究人员追求的究人员追求的目目标标。 鱼鱼类类的的推进方式推进方式分类分类鱼鱼类类的的推进方式推进方式分类分类 身体和身体和/或尾鳍推进或尾鳍推进(Body and /or caudal fin p ropulsion, BCF)模式模式身体和身体和 或尾鳍推进或尾鳍推进(ypp,