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,江河湖海占了地球71%的面积,而鱼类经过千百万年的进化,表现出近乎完美的、无以伦比的游泳技术。

船舶的发展史是人类文明发展史的一部分,而任何一个时期的船舶研发与制造都标志着人类的科技成果。我们可以从船舶的推进工具或系统很清楚的了解到船舶的发展历史。请看下图:

近年来,仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的发展促进了仿生机器鱼技术研发,尤其近几年国内外仿生机器鱼研究异军突起,如火如荼,掀起了仿生机器鱼研究的热潮,国内的一些工科大学如北航、哈工大、西工大及中科院自动化所,近些年都做过较为深入的研究;国外像英国、日本、美国等也都有作品问世。

这些作品大同小异,其共同的弊端是尾部摆动时鱼的身体也会随着摆动,速度慢,稳定性差,转向不灵活,而这些正是仿生机器鱼研究的瓶颈。

段霄驰团队机器鱼设计理念

所涉及的专利从鱼的运动机能出发,着眼于鱼游动的动力原理,提出全新的建模理念:鱼尾应为弹性结构;建立简单可行的数学、物理模型,创建应用模型,构造新的驱动模式,进行优化仿生。

建模的五大核心要素:

1.数学模型   

建立清晰、准确、简单的数学模型,便于设计、制作、装配。数学模型包括机器鱼的整体结构,鱼头、鱼体、鱼尾的比例,鱼尾的几何形状,鱼尾的摆动频率,摆角,推水量的计算,马达、电源、电子原器件的安装位置等。

2.物理模型   

建立严谨规范的物理模型,便于从科学的角度推演、论证机器鱼运动的可行性和效果。物理模型包括流体力学原理,牛顿运动定律,材料的力学性能等。

3.材料模型   

选择理想的材料,便于加工、制作、装配,更重要的是材料的选择会直接影响到实验的效果。材料的选择包括鱼体材料、尾鳍材料、运动部件和连接件材料,尤以尾鳍材料为重要,这是仿生推进的核心要素。

4.驱动模型  

选择适当的驱动方式,便于实现制作和实操。驱动模型包括摆动机构的若干模式:曲柄滑槽机构A型、曲柄滑槽机构B型、曲柄滑杆机构、曲柄摇臂机构,手动驱动模式,仿生动力冲浪模式,马达、电源、电机、遥控器的匹配等。

5.传输与控制模型  

传输与控制是大脑,针对不同的环境和需求,设计理想的传输与控制模式,对仿生机器鱼的研究有着极其重要的作用。