动物运动与仿生学

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1、动物运动与力学仿生内容提要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，又要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。关键词：运动方式、模仿、运动特点力学仿生，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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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