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美探索下一代水下潜航器新设计

来源:中国国防报2021-09-07 09:51

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  研究人员仿照金枪鱼外形研制出机器鱼,其尾部加装人工肌腱,可调节摆动速度

  据外媒报道,美科学家根据鱼类在游动中展示的生物力学和流体力学特征,结合机器人技术,开发智能机器鱼尾,以期用于下一代水下潜航器的设计。

  据报道,8月出版的《科学机器人》杂志,刊登了美国弗吉尼亚大学研究人员关于水下潜航器变速航行的研究成果。这篇文章称,通过观察鱼类游动不难发现,大部分鱼类为保持水下游动的灵活性,会根据自身与外部情况随时调整方向、速度和深度,这些调整主要依靠鱼身“推进器”——鱼尾完成。由于现有科学方法无法测量鱼在游动过程中尾部变化情况,因此很难准确掌握鱼是如何做到这一点的。研究人员通过构建仿真模型,解析不同情况下鱼尾如何影响鱼的游动,并在此基础上得出结论。简单来说,鱼尾的肌肉张力与航速的平方成正比。为进一步验证该结论,研究人员仿照金枪鱼外形制造出一条机器鱼,在其尾部加装由程序控制的人工肌腱,以调节尾部的摆动情况。在高速、不规则、非对称水流条件下,进行两种游动测试。一种是调节尾部摆动进行游动,另一种是固定尾部进行游动。测试结果显示,在前一种情况下,机器鱼的游动速度更快,能量消耗更少。由此表明,推进器可调节技术将对水下潜航效率带来改变。

  在设计下一代水下潜航器时,难题在于如何实现对推进器的智能调节。因为水下环境并非既定不变,在某些环境下工作良好的推进器,在另一种环境下可能严重效率不足。

  报道称,此项研究首次将生物力学、流体力学和智能机器人技术结合起来,综合研究推进器摆动对水下航行的影响,有助于解答推进器摆动如何影响航行效率。此项研究不仅进行了理论分析,还提出可行的解决方案,实现水下航行的高速与高效。研究人员希望在此基础上,探索和完善水下潜航器变速航行的关键技术,仿海豚或蝌蚪等研制智能水下潜航器,并用于下一代水下潜航系统的设计制造。

  目前,为保障航行效率,水下潜航器通常被设计为按某一固定速度航行,无法像鱼类般“游动自如”,使得水下潜航器难以完全满足现实需求。这项研究成果带来的技术突破,或可为上述需求提供新的解决方法。(成高帅 任科学)

[ 责编:丁玉冰 ]
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