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为研究蛇颈龙游泳特性而设计的“机器人”

中国机械工程学会       2017-09-15


南安普顿大学(University of Southampton)的一名博士生发明了一种基础的“灭绝海怪”机器人,以研究其独特的四种螺旋推进技术,这在设计隐形的、可操纵的潜艇上很有用。


在1823年,英国古生物学家玛丽·安宁首次发现了这些食肉的海生恐龙。从那以后,进一步的化石发现证实了蛇颈龙长约15米,并配备了一套四种强有力的鳍状肢,前后两对完全相同。


这在自然界中是独一无二的:当其他生物,如海龟和海狮也有4个鳍状肢时,它们用前脚蹼来进行推力,用后鳍来掌舵。


“还没有人能够解释蛇颈龙是如何使用它们的鳍状肢” ,卢克Muscutt说,南安普顿大学的博士生的项目。许多人认为他们使用了所有的四种方法,但究竟是怎样的一个谜。前和后挡板之间是如何移动的?他们都是同步的还是别的什么?”


南安普顿大学和布里斯托尔大学的Muscutt和他的同事们聚集了古生物学、机器人学、流体力学和生物学,以研究蛇颈龙是如何在2亿年前将自己推入水中的。


只有有限数量的关于鳍状肢的结构和运动的信息可以从现有的两个蛇颈龙化石中提取出来,所以他们寻找现存的动物以作进一步的指导。企鹅、海狮和海龟鳍的x光片提供了足够的数据来估计蛇颈龙鳍肢骨骼和软组织的数量。


研究人员将两个鳍状肢(正面和背部鳍状肢)打印在坚硬的塑料上,并将它们浸入水中,以研究游泳技术。他们发现,前鳍的交替向上和向下的运动会产生一种重复的漩涡,在相反的方向旋转:“涡道。这就大大提高了背部鳍的表现,因为它在这些漩涡之间穿梭

机器人蛇颈龙的鳍状肢的和谐摆动与蜻蜓的四个翅膀的运动相媲美,它能以极大的效率和灵巧的方式将生物推进空中。

后背襟翼稍微落后于前脚蹼后,协调的动作增加了60%的推力,效率提高了40%。研究人员说,这种强大的、节能的推进模式可以帮助蛇颈龙的进化成功:6600万年前灭绝恐龙灭绝之前,世界上每个角落都有海洋生物。

研究人员认为,这种生物推进系统在制造新型的翻板驱动的潜艇上有潜在的应用。

理想的情况是,如果你想隐形,或者你想要高机动性,你就想在螺旋桨上使用鳍状肢,”Muscott告诉记者。一套脚蹼并不是很好,但是如果你有另一套脚蹼,那么突然你就有了一个比他们自己的脚蹼更有效率的系统。

它速度看起来比较慢, 所以不会产生大量的水下噪音,也不会引起游动过的周边环境泛起浑浊泥土,这未必是快,但它会机动性和隐形。

Muscutt说,这些特性可以使一个以蛇颈龙为灵感的推进系统成为小型监测或生态研究潜艇的理想选择。它们还可以取代已经附着在深海潜艇上的静止鳍,以帮助他们在海底进行机动。


关键词:机器人