鲨鱼装与机器鱼──浅谈仿生减阻与仿生推进

第19卷第21期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 212007年11月Journal of System Simulation Nov., 2007鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究胡海豹，宋保维，潘 光，毛昭勇，杜晓旭(西北工业大学航海学院, 西安 710072)摘 要：通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。

针对沟槽表面流场的特点，在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理，并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。

仿真结果表明，沟槽表面与顺流的“反向旋转涡对”相互作用，产生“二次涡”，削弱了“反向旋转涡对”的强度，进而抑制了低速条带的形成和发展，从而降低湍流猝发强度，实现湍流减阻。

关键词：沟槽表面；数值仿真；减阻；“二次涡”；“反向旋转涡对”中图分类号：O335.3 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 21-4901-03Simulation Studies on Drag Reduction Mechanism of Shark Riblets SurfaceHU Hai-bao, SONG Bao-wei, P AN Guang, MAO Zhao-yong, DU Xiao-xu(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: Through the numerical simulation investigation, the turbulent drag redaction mechanism above shark riblets surface was explored. In allusion to the characteristic of riblets surface, the computation region, grids and flow parameters were dealt with reasonably, and mechanic similarity principle was brought forwards into fluid field numerical simulation . The results of simulation show that a series of “second-vortex” are produced when streamwise “reverse-vortices” are effected by riblets. They weaken intensities of “reverse-vortices”, and restrain the productions and developments of low-flow strips, so turbulent drag reduction is obtained.Key words : riblets; numerical simulation; drag reduction; “second-vortex”; “reverse-vortices”引 言目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。

“仿生鱼”科技技术1.概念仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进的装置。

仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。

最近几年来，国内外许多研究机构和高等院校对仿生机器鱼（图片来源于维基百科）行了大量的研究，并且在各个领域中得到了实际运用。

英国埃塞克斯大学的研究人员向泰晤士河投放专门设计的仿生机器鱼，用于探测水中的污染物，并绘制河水的3D污染图。

日本三菱重工也已经将研究的仿生机器鱼玩具批量生产。

中国北京航空航天大学和中国科学院研制的SPC-II仿生机器鱼也成功地用于水下考古探测。

2. 原理仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。

其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。

所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。

鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍。

胸鳍：它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。

腹鳍：主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。

尾鳍：有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。

鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。

借助于连续的肌节收缩与舒张，从头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成S型。

收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。

这个力向前的分力是鱼体向前运动的主要推进力。

目前各个研究单位研究的仿生机器鱼的结构不尽相同，但是都主要通过模仿和控制鱼鳍的运动来达到运动目的。

典型仿生机器鱼的结构如下图所示，主要有视频模块、导航模块、（图片来源于维基百科）任务调度模块、运动控制模块、通讯模块、电源模块和尾鳍模块。

仿生机器鱼的推进方式主要有两种：摆动式和波动式。

第22卷第2期2024年2月动力学与控制学报J O U R N A L O F D Y N AM I C S A N D C O N T R O LV o l .22N o .2F e b .2024文章编号:1672-6553-2024-22(2)-094-006D O I :10.6052/1672-6553-2024-0072024-01-11收到第1稿,2024-02-28收到修改稿.*国家自然科学基金资助项目(12172212)和中央高校基本科研业务费专项资金资助(22120220588),N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o no f C h i n a (12172212)a n d F u n d a m e n t a l R e s e a r c h F u n d s f o r t h e C e n t r a l U n i v e r s i t i e s (22120220588).†通信作者E -m a i l :z g s o n g @t o n g ji .e d u .c n 基于C P G 控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究*周宇斐 岳新阳 宋自根†(同济大学航空航天与力学学院,上海 200092)摘要 随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(C P G )的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研㊁农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.关键词 仿生机器人, 类双髻鲨仿生, 中央模式发生器中图分类号T P 242;Q 811文献标志码:AB i o n i c R o b o t I n s p i r e d b yt h e H a m m e r h e a d S h a r k w i t h a C P G -B a s e d C o n t r o l l e r *Z h o u Y u f e i Y u e X i n y a n g S o n g Z i ge n †(S c h o o l o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d M e c h a n i c s ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 200092,C h i n a )A b s t r a c t A s h u m a n e x p l o r a t i o n o f n a t u r e b e c o m e s i n c r e a s i n g l y i n -d e p t h ,t h e d e m a n d f o r n e w t y pe s of u n d e r w a t e r v e h i c l e s i sg r o w i n g d a y b y d a y .B i o m i m e t i c r o b o t s a r e r e c e i v i n g mo r e a n d m o r e a t t e n t i o n d u e t o t h e i r u n i q u e p r o p u l s i o n m e t h o d s a n d h i g h e f f i c i e n c y.H o w e v e r ,t r a d i t i o n a l b i o m i m e t i c f i s h m o d e l s o n -l y i m i t a t e s t r e a m l i n e d s h e l l s ,w i t h l i t t l e c o n s i d e r a t i o n g i v e n t o t h e i m p a c t o f t h e s t r u c t u r e o f b i o m i m e t i c o b j e c t s o n b i o m i m e t i c p e r f o r m a n c e .T h i s p a p e r p r o p o s e s a b i o m i m e t i c r o b o t b a s e d o n a c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r (C P G )t h a t m i m i c s t h e b e h a v i o r o f t h e t h r e s h e r s h a r k .U s i n g th e b a s i c m o v e m e n t p a t t e r n o f f i s h a s a f o u n d a t i o n ,t h e f i s h b o d y i s a b s t r a c t e d i n t o a j o i n t e d l i n k a ge s t r u c t u r e ,a n d a b i o m i m e t i cf i s h m o d e l w i t h t h r e e j o i n t s a n d f o u r l i n k ag e s w a s e s t a b l i sh e d a n d s u b j e c t e d t o si m u l a t i o n c a l c u l a t i o n s .T h e m o v e m e n t p e r f o r m a n c e w a s e s t i m a t e d b a s e d o n g a i t p a t t e r n s ,a n d f e a s i b i l i t y w a s s u b s e q u e n t l y ve r if i e d t h r o ugh e x pe r i m e n t s .T h i s b i o m i m e t i cf i s h a i m s t o a c h i e v e m a x i m u m s i m u l a t i o n o f t h e t h r e s h e r s h a r k w i t h s i m p l e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d e c o n o m i c a l c o n t r o l c o s t s .T h a n k s t o i t s w e l l -d e s ig n e d b i o m i m e t i c s t r u c t u r e ,th ei n t r o d u c t i o n o f a c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r ,a n d t h e a p pl i c a t i o n o f f l e x i b l e s i l i c o n e m a t e r i a l i n t h e f i s h b o d y ,t h i s r o b o t p o s s e s s e s c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s s m a l l s i z e ,s i m p l e c o n t r o l ,s t r o n gt e r r a i n a -d a p t a b i l i t y ,a n d h i g h e n e r g y u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y .C o m p a r e d t o t r a d i t i o n a l u n d e r w a t e r p r o pe l l e r s ,i t e x -第2期周宇斐等:基于C P G控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究h i b i t s l o w e r n o i s e a n d s t r o n g e r e n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t y.I t h a s b r o a d p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i n i n d u s-t r i e s s u c h a s s c i e n t i f i c r e s e a r c h,a g r i c u l t u r e,a n d f i e l d s l i k e f i e l d s u r v e y s,u n d e r w a t e r r e s c u e,a n d w a t e r p a t r o l.K e y w o r d s b i o n i c r o b o t,b i o n i c h a mm e r h e a d s h a r k i m i t a t i o n,c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r引言随着人类对河流海洋等水域的探索和开发不断深入,为了代替人类执行各种监测㊁探索等任务,水下航行器的需求日渐提升,并且有着广阔的发展前景[1].然而传统水下航行器大多采用螺旋桨推进的方案,对工作环境要求高,工作效率低,面临复杂工况时稳定性较差,应用在科研勘探等领域时还会因为较大的噪声和明显的轨迹影响勘探结果,同时需要有负载的配套控制系统[2].这些缺陷极大地限制了水下航行器的应用场景,因此有必要研究新的水下推进方案.在这一背景下,鱼类独特的运动模式和其在水下的优异机动性引发了众多学者的研究,随着新型材料的出现和控制理论的逐步完善,鱼形仿生机器人从理论走向实践[3-8].目前机器鱼大多采用底层步态控制和闭环运动控制相结合的方式进行控制,而中央模式发生器(C P G)能够在缺乏规律的信号输入情况下,输出不同模式的,有节奏的控制信号,在控制多关节运动机构时有着独特的优势,K i m u-r a在M a t s u o k a振子模型的基础上做了一定的改进.振荡器模型使用两个相互抑制的神经元来形成振荡器,其对应于动物的屈肌和伸肌控制神经元实现了对机器鱼关节的精确控制[3].W a n g等人使用尖峰神经网络(S N N)和中央模式发生器(C P G)复制了高等生物运动时神经元信号的传输过程,为多模态水下机器人的开发和控制提供了理论指导[4].在此基础上,研究人员选取了不同的鱼类进行了仿生研究,各式各样的仿生鱼层出不穷,对仿生对象的选择也不尽相同,例如B a l等人受七鳃鳗的启发制作了以C P G为控制核心的仿生鱼,并且为其加入了有限状态机(F S M)算法[5].此外H a o等受鳗鱼和鳐鱼启发,同样以C P G为核心开发出了仿生鱼M a n t a[6].随着C P G的关注度日益增长,与之配合的传感体系也逐渐完善,应用范围也逐渐拓展: K o r k m a z等人建立了基于闭环传感的仿生机器鱼C P G控制模型[7],N g u y e n等人引入强化学习对C P G振荡器进行优化,并将其应用于细长波浪鳍推进运动[8].以往的仿生鱼以常见鱼类的外形为主,仅仅模拟了鱼类的流线型外形,并未详细分析外形本身对仿生鱼性能的影响[9],而我们认为,仿生对象的选取同样对仿生鱼的性能有所启发,双髻鲨作为海洋生物中机动性的代表,主要捕食机动性较高的水下生物,是出色的仿生对象,本文将从双髻鲨的生理学特点出发,从机械设计,控制系统建立,联合仿真分析,实验对照四个环节展开论述,介绍类双髻鲨仿生机器人的研制和测试,并对其未来应用进行展望.1类双髻鲨仿生机器人结构1.1仿生对象概况双髻鲨,是脊索动物门软骨鱼纲真鲨目双髻鲨科鱼类的统称.双髻鲨头部宽大,身体呈流线型,脑袋形状特殊,被认为具有方向舵的能力,有助于双髻鲨在水中的游动.依靠其特殊的头部,双髻鲨能够非常准确地感知周围环境,以及确定猎物的方向和速度.在前向游动时,其锤头和身体形成的流线型外形使其拥有着非凡的机动性能[10],研究表明双髻鲨拥有远超鲨类动物的捕食能力和游动能力[11],因此将双髻鲨作为仿生对象符合人们对水下航行器的性能要求,在鱼形仿生的同时兼顾机动性和地形适应能力.图1双髻鲨生理特点F i g.1 P h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h a mm e r h e a d s h a r k双髻鲨在运动时胸鳍之前的部位不会弯曲,运动时会摆动胸鳍后面的部分产生推力,此外双髻鲨游动时头部会左右摆动,以此获取更大的视野收集更多的环境信息[12].根据生态和行为学观察,双髻鲨通常以缓慢的方式游动,主要59动力学与控制学报2024年第22卷通过侧面扭动身体来推进.它们的背鳍和尾鳍协同工作,通过摆动和扭动来产生动力.背鳍颇为发达,通常较高,能够提供稳定性和操纵性.双髻鲨的尾部呈蝶形,上下叶较大,用于产生推进力.1.2机械结构建立软脊椎动物的运动模式与机械运动存在较大差异,因此使用纯机械方式模拟鱼类的运动较为困难,目前常见的模拟软脊椎动物的方式是将其抽象成多关节模型,对每个关节分别进行精确控制,例如K a k o g a w a等人就采用多关节耦合的方式制作出了蛇形仿生机器人[13].常见的鱼类仿生机器人大多采用舵机与刚性外壳相配合的方式进行制作, W u等人使用四枚舵机成功模拟了鱼类的多种运动步态[14].图2双髻鲨运动步态F i g.2 L o c o m o t i o n p a t t e r n s o f t h e h a mm e r h e a d s h a r k机器鱼结构如图2所示,该机器鱼主体部分可以视为由三关节四连杆组成的机械结构.该机器鱼的尺寸为700mmˑ200mm(若包含鱼鳍宽度为310mm)ˑ170mm(长ˑ宽ˑ高).鱼头部分为3D 打印制作而成的硬质外壳,内部包含电源,控制板以及传感器;中部结构为包含三个关节的灵活躯干,关节处使用三枚舵机模仿鱼类的游泳步态;尾部则是由硅胶浇筑而成的软体结构.机器鱼前方具有可活动锤头,两侧分布有可活动鱼鳍.锤头部分布置有超声传感器,该传感器可帮助鲨鱼对前方环境进行感知,及时判断机器鱼是否需要前进或者转向,此外,双髻鲨两侧和下方也设计有装置传感器的部位,未来可以装备更多水下传感器,使其具有更强的环境感知能力.由于该机器人需要长时间在水下运行,我们在鱼身中段上包覆了防水性塑料薄膜,使用电子密封胶对鱼身接缝处进行了细致的防水处理.此外,机器鱼内部的舵机㊁电路板等电子元件也都进行了独立防水处理,机器鱼样机规格如图3所示.图3机器鱼结构示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e r o b o t f i s h s t r u c t u r e1.3电控设计分析电控部分由开发板,舵机,超声波距离传感器等组成,机器鱼采用e s p32开发板作为控制器,该开发板集成了多种接口,拥有优秀的拓展能力,能够在较低功耗下正常运行.三枚R D S3218舵机在e s p32的控制下执行不同的步态,以此实现多模式多步态的自由切换.R D S3218舵机具有反应灵敏,行程范围大,扭矩大,精度高的优点,工作电压为4.8V~6.5V,堵转电流2A,以P WM(脉冲宽度调制)方式驱动,脉宽范围为500微秒~2500微秒,最高扭矩可达20k g/c m,通过调整P WM信号空占比即可实现舵机的多角度自由转换.鱼头部分携带的L042MTW超声波传感器能够提供前方的距离信息,及时切换步态避开障碍物.得益于e s p32集成的U A R T通信模式,该开发板可以直接连接超声波传感器进行数据收发.超声波传感器的加入使得本仿生机器人具备自主避障能力,能够在水下环境中根据障碍物的距离切换运动步态.另外考虑到机器鱼在水下工作时可能会出现动力不足的问题,该机器鱼为三枚舵机配备了独立供电,以便快速完整地完成运动周期.图4e s p32引脚定义图F i g.4e s p32p i n o u t d i a g r a m此外,为方便后期参数调试,我们借助e s p32搭载的W I F I功能实现了程序的远程O T A更新,无需回收拆装机器就能对内部参数进行调整,仿生鱼内部的主要电路如图5所示.得益于中央模式发生器的应用,只需要简单的结构就能够实现相对复杂的运动模式和多步态切换,并且具有较大的后期69第2期周宇斐等:基于C P G 控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究迭代空间.图5 内部主要电路示意图F i g .5 S c h e m a t i c d i a gr a m o f t h e m a i n i n t e r n a l c i r c u i t s 2 联合仿真分析2.1 S o l i d W o r k s 辅助设计使用计算机进行辅助设计,利用S o l i d W o r k s进行模型建立和结构优化分析,能够最大限度地降低前期实验研发的投入,同时能够对最终产品进行针对性的改进(图6).经过实验后,可以根据相应缺陷进行再设计,反复迭代推进产品进步.因此我们根据双髻鲨的生理特点,我们建立了简化后的机械结构三维模型,经过多次迭代,模型已经能较好地体现双髻鲨的结构特色,符合实验需求.图6 设计流程F i g .6 D e s i gn p r o c e s s 2.2 A d a m s -S i m u l i k 联合仿真根据机器鱼的运动机理,可以将鱼类运动抽象成四连杆三关节模型进行分析,鱼类向前游动的动作可以看作一个波从前向后的传递过程,由第一个关节开始向后传播.在这一过程中每个关节的运动模式都和第一节相同或者类似,只是存在恒定的相位差,各个关节的振幅也因步态而异.在C P G 模型中,关节可以看作是相互连接的神经元模型,由第一个神经元的自身激励产生振荡,随后振荡以恒定的相位差向后传播.图7 S o l i d W o r k s 模型F i g.7 S o l i d W o r k s m o d e l 这里使用的是由三个S t e i n 神经振荡器构成的C P G 控制网络,每一个振荡器对应着机器鱼的一个关节,这一模型通过三个相互耦合的振荡器实现多关节的联动控制,通过调整特征参数,可以实现多步态的控制和转换.C P G 控制器的数学模型如下图所示,其中i 下标代表着第i 个振子(本模型中i =1,2,3),调整相位差θ和方向偏差ε可以实现不同运动模式之间的自由切换.另外,每一个振子的振幅可以独立调节,来更好地贴合真实鱼类的运动,为鱼类步态研究提供帮助.为了能更好地研究C P G 控制器内部参数的实际效果,我们使用S i m u l i n k 建立了仿真模型,并调整相关参数对其输出信号进行了模拟,结果如下图所示,C P G 控制器能够在不规律的参数输入后平滑地切换到新的输出模式.在向前游动的步态中,三个振子拥有相同的振幅和频率,保持恒定的相位差进行运动,产生向后传递的波,此时鱼身向前运动,通过改变ω的值可以实现加减速游动,更好地模拟真实鱼类的运动姿态,提升不同环境下的通过能力.而转向步态中,我们改变了方向偏差ε的值,使其振荡中心偏离前进步态并保持恒定夹角,夹角的存在会使鱼身向夹角方向偏离,从而实现转向.在最后两个环节中,我们反转了三个振荡器之间的相位差,即鱼尾关节先开始振荡,使波从鱼尾向鱼头传递,使鱼身向后运动.79动 力 学 与 控 制 学 报2024年第22卷图8 联合仿真流程F i g.8 C o -s i m u l a t i o n p r o c e ss 图9 步态切换示意图F i g.9 G a i t t r a n s i t i o n i l l u s t r a t i o n 3 实验验证实验场地设置在一处水池中,水池长约十米,宽约五米,深一米.实验当天天气状况良好,水池清澈,确保环境在几乎不影响实验结果的情况下模拟自然条件.我们对实验过程进行了全程跟拍.机器鱼的一个前进运动周期如图所示.在实验环节中,C P G 控制器中的S t e i n 神经振荡器由舵机代替,通过旋转角度的变化来模拟C P G图10 前进步态F i g .10 F o r w a r d s w i mm i n g ga i t 控制器的输出信号,相位差的存在使得鱼身整体的运动更为自然,贴合仿生对象本身的运动逻辑.实验较好地验证了控制器中各项参数对仿生鱼运动节律的调节作用,通过调节相位差大小,振荡频率以及幅度,可实现不同前进速率之间的自由切换,最大可达0.6m /s .另外得益于柔性尾部对机械波的良好传递,仿生鱼的转向步态能够在最大限度上模拟真实鱼类(图10),配合C P G 控制器的节律控制,简单的三关节仿生结构就能拥有非常出色的灵活度.图11 转向步态F i g .11 T u r n i n g s w i mm i n g ga i t 针对仿生鱼步态控制系统的实验结束后,我们尝试将机器鱼投入到自然环境的真实鱼群中,结果表明机器鱼的运行不会影响鱼群的正常活动.区别于传统的螺旋桨推进水下航行器,仿生鱼在运行时不会产生过大的噪音,同时拥有更好的通过能力,软体结构和流线型外壳减弱了水下复杂环境对航行器运动的影响.仿生鱼的外形也避免了水草缠绕㊁硬物堵塞等传统水下航行器面临的问题.89第2期周宇斐等:基于C P G控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究4结束语本文提出了一种基于C P G控制器设计的双髻鲨仿生机器人,以简单的结构和控制方案达到了相对高效的运动模式控制,实现了对双髻鲨的仿生目的,主要设计特点包括:将鱼身软体结构抽象为关节连杆模型简化控制㊁对多种材料进行有机组合㊁利用计算机辅助设计加速产品迭代.C P G控制器的引入使仿生鱼在拥有更自然的运动步态的同时,具备多模式多步态平稳切换能力,为未来水下航行器的发展提供了一个可能的方向.参考文献[1]董格羽.仿生机器人技术的发展对经济的促进作用与应用前景分析[J].现代工业经济和信息化,2023,13(10):112-114+118.D O N G G Y.A n a l y s i s o f t h e d e v e l o p m e n t o f b i o n i cr o b o t i c s t e c h n o l o g y t o p r o m o t e t h e r o l e o f e c o n o m ya n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s[J].M o d e r n I n d u s t r i a l E-c o n o m y a nd I n f o r m a t i o n i z a t i o n,2023,13(10):112-114+118.(i n C h i n e s e)[2]刘洋,孙显鹏,徐超,等.无人水下航行器控制技术的发展[J].舰船电子工程,2019,39(10):5-10.L I U Y,S U N X P,X U C,e t a l.D e v e l o p m e n t o f t h ec o n t r o l o f u n m a n n ed u n de r w a t e r v e h i c l e s[J].S h i pE l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,2019,39(10):5-10.(i nC h i n e s e)[3]J I A N X Y,Z O U T.A r e v i e w o f l o c o m o t i o n,c o n-t r o l,a n d i m p l e m e n t a t i o n o f r o b o t f i s h[J].J o u r n a lo f I n t e l l i g e n t&R o b o t i c S y s t e m s,2022,106(2):37.[4]WA N G M,Z HA N G Y Y,Y U J Z.A n S N N-C P Gh y b r i d l o c o m o t i o n c o n t r o l f o r b i o m i m e t i c r o b o t i c f i s h[J].J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t&R o b o t i c S y s t e m s,2022,105(2):45.[5]B A L C,O Z M E N K O C A G,K O R KMA Z D,e t a l.C P G-b a s e d a u t o n o m o u s s w i mm i n g c o n t r o l f o r m u l t i-t a s k s o f a b i o m i m e t i c r o b o t i c f i s h[J].O c e a n E n g i-n e e r i n g,2019,189:106334.[6]C H E N J Y,Y I N B,WA N G C C,e t a l.B i o i n s p i r e dc l o s e d-l o o p C P G-b a s ed c o n t r o l o f a r o b o t f i s h f o r o b-s t a c l e a v o i d a n c e a n d d i r e c t i o n t r a c k i n g[J].J o u r n a lo f B i o n i c E n g i n e e r i n g,2021,18(1):171-183.[7]K O R KMA Z D,O Z M E N K O C A G,L I G Y,e t a l.L o c o m o t i o n c o n t r o l o f a b i o m i m e t i c r o b o t i c f i s hb a s e d o nc l o s ed l o o p se n s o r yf e e d b a c k C P G m o d e l[J].J o u r n a l o f M a r i n e E n g i n e e r i n g&T e c h n o l o g y,2021,20(2):125-137.[8]N G U Y E N V D,V O D Q,D U O N G V T,e t a l.R e-i n f o r c e m e n t l e a r n i n g-b a s e d o p t i m i z a t i o n o f l o c o m o-t i o n c o n t r o l l e r u s i n g m u l t i p l e c o u p l e d C P G o s c i l l a-t o r s f o r e l o n g a t e d u n d u l a t i n g f i n p r o p u l s i o n[J].M a t h e m a t i c a l B i o s c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g,2022,19(1):738-758.[9]T S Y B I N A Y A,G O R D L E E V A S Y,Z HA R I N O VA I,e t a l.T o w a r d b i o m o r p h i c r o b o t i c s:a r e v i e w o ns w i mm i n g c e n t r a l p a t t e r n g e n e r a t o r s[J].C h a o s,S o l i t o n s&F r a c t a l s,2022,165:112864.[10]M C C OM B D M,T R I C A S T C,K A J I U R A S M.E n h a n c e d v i s u a l f i e l d s i n h a mm e r h e a d s h a r k s[J].J o u r n a l o f E x p e r i m e n t a l B i o l o g y,2009,212(24):4010-4018.[11]L I M D D,MO T T A P,MA R A K,e t a l.P h y l o g e n yo f h a mm e r h e a d s h a r k s(F a m i l y S p h y r n i d a e)i n f e r r e df r o m m i t o c h o n d r i a l a n d n u c l e a rg e n e s[J].M o l e c u-l a r P h y l o g e n e t i c s a n d E v o l u t i o n,2010,55(2):572-579.[12]G A Y L O R D M K,B L A D E S E L,P A R S O N S G R.A h y d r o d y n a m i c s a s s e s s m e n t o f t h e h a mm e r h e a ds h a r k c e p h a l o f o i l[J].S c i e n t i f i c R e p o r t s,2020,10:14495.[13]K A K O G AWA A,J E O N S,MA S G.S t i f f n e s s d e-s i g n o f a r e s o n a n c e-b a s e d p l a n a r s n a k e r o b o t w i t hp a r a l l e l e l a s t i c a c t u a t o r s[J].I E E E R o b o t i c s a n dA u t o m a t i o n L e t t e r s,2018,3(2):1284-1291.[14]WU Z X,Y U J Z,T A N M,e t a l.K i n e m a t i c c o m-p a r i s o n o f f o r w a r d a n d b a c k w a r d s w i mm i n g a n d m a-n e u v e r i n g i n a s e l f-p r o p e l l e d s u b-c a r a n g i f o r m r o b o t i cf i s h[J].J o u r n a l o f B i o n i c E ng i n e e r i n g,2014,11(2):199-212.99。

北京大学科技成果——RoboShark智能仿生深海潜航器项目简介本项目产业化的市场定位为需要长时间、远航程可进行水下目标侦测及定位的单位。

RoboShark智能仿生深海潜航器采用鲨鱼为原型，以三关节仿生尾鳍取代无刷推进器，有效降低设备运行噪声的同时节省了能量消耗。

设备外壳采用吸音材料制成，可以提高设备的隐蔽性。

通过重力舱吸排水实现设备的上浮下潜，控制更为灵活，具有定点悬停、定深巡游等多种智能运动功能，最大下潜深度可达1000m。

此潜航器的主要特点：1.节能高效：采用仿生+滑翔作为动力源，利用反卡门涡街的驱动原理，仿生推进效率高达80%；2.隐蔽环保：模拟鲨鱼的外形与游动方式，隐蔽性强，对环境扰动小，不会伤害水下生物；3.安全可靠：采用整体开放，局部密封的设计，配备六方向避障传感器，具有低电量返航、失联返航等功能；4.载荷扩展：可搭载声、光、电、磁传感器，满足水下通信、水下定位和水下探测等需求。

应用范围RoboShark具有长续航、低噪音的优势，适合用于长时间的水下巡游、水下追踪等任务。

可完成海洋勘探，包括海洋科考、水质监测、地貌测绘等任务；水下作业，包括海底管道检测、水下打捞、大坝巡检等任务；军事上可应用于目标侦查、搜寻、定位及排爆等复杂任务。

RoboShark多关节仿生机器鱼根据应用场景和使用需求，除高精度GPS、深度计、九轴姿态传感器以及远距离射频通信等标准模块外，还可以搭载声呐设备、水声通讯设备，进一步的丰富产品功能。

项目阶段本项目已经做出工程机，可根据实际需求进行定制化开发。

主要性能参数如下：1.续航能力：15天（滑翔推进）/8小时（尾鳍推进）2.最大下潜深度：1000m3.导航：GPS、惯性导航4.通信距离：开阔水域可达3km（可选配卫通模块）5.最大巡游速度：1.5m/s，五级速度可调6.最大负载能力：25kg知识产权已申请相关专利。

合作方式技术服务。

仿生射流表面减阻特性及减阻机理研究的开题报告
一、研究背景与意义
航空航天、汽车、船舶等高速运动物体表面粗糙度和边缘作用引起了激烈的流动，使得流体的流动状态十分复杂，阻力损失也越来越大。

如何降低这种阻力损失，提高流动的稳定性是一项重要的研究方向。

诸多先进技术中，仿生学是一种具有广泛研究前景并取得了许多进展的技术。

仿生学模仿自然界生物结构实现技术的应用，常常能够获得比传统技术更好的效果。

从生物学上来看，一些生物体表面如翼龙、鲨鱼等动物，表面具有一些微小结构，能够使水流更加顺畅，并减少阻力损失。

由此可以看出仿生技术的应用具有深远的意义。

二、研究内容和研究方法
本研究通过仿生学的方法，研究射流表面减阻特性和减阻机理。

研究内容主要包括：1.提出一种利用仿生学原理设计的新型机器射流表面结构，并对其进行试验验证；2.对实验数据进行分析，探究仿生射流表面对流体阻力的影响规律；3.利用数值模拟方法，研究仿生射流表面的流场特性，探求其减阻机理。

研究方法主要包括：1.通过文献调查和实验研究，掌握射流表面减阻的一般规律；2.通过仿生学原理，设计新型机器射流表面结构，并开展实验验证；3.基于数值模拟方法，对仿生射流表面的流场进行数值模拟和数据分析。

三、预期成果和意义
本研究预期可以获得以下成果：1.设计出一种射流表面结构，其减阻性能优于传统射流表面结构；2.探究仿生射流表面结构减阻的机理，提供理论支持；3.揭示仿生学在减阻领域的应用前景，为其他众多复杂流动问题的研究提供了新的思路和方法。

总之，本研究旨在研究仿生射流表面的减阻特性和机理，为未来的
仿生技术在流体阻力减小和生物工程等领域的应用提供理论及技术支持。

仿生学在产品设计中的应用1. 引言仿生学是指模仿生物体的结构、功能和行为，从中获得灵感和设计启示的学科。

随着科技的进步，仿生学在产品设计领域的应用越来越广泛。

本文将从生物结构、生理功能和行为三个方面介绍仿生学在产品设计中的应用。

2. 生物结构的仿生学应用生物的结构是设计者从中获取启示的重要来源。

例如，鲨鱼皮肤的结构启发了材料学家研发出一种减阻无粘附涂层，减小了飞机表面的摩擦力，提高了飞行效率；蝴蝶翅膀的结构启发了建筑师研发出一种极轻、超强的材料，可以应用于建筑和桥梁设计中。

另外，仿生学还可以将生物结构的柔软性和可变形性应用到产品的设计中，以改善产品的使用体验。

3. 生理功能的仿生学应用生物的生理功能是设计者从中获取启发的另一个重要来源。

例如，蝴蝶的复眼启发了科学家研发出一种高分辨率、小尺寸的相机；鸟嘴的形状启发了工程师设计出一种新型瓶盖，可以更好地保存液体的新鲜度；鱼的鳞片启发了设计师制作出一种设计独特的汽车轮毂，能够大幅降低噪音和气动阻力。

仿生学的生理功能应用可以带来更加人性化、功能更强、效率更高的产品设计。

4. 行为的仿生学应用生物的行为也是设计者从中获取启发的重要来源。

例如，蚂蚁的群体行为启发了机器人技术领域的研究，以实现自主协作的机器人系统；海豚的耳朵启发了声波传感器技术的应用，可以在恶劣环境下实现高精度的声波探测；蜜蜂巢穴的结构启发了新一代无线通信网络的设计，可以实现更加强大、稳定、高速的通讯功能。

仿生学的行为应用可以带来更加智能、人性化、自主化的产品设计。

5. 仿生学的限制和挑战虽然仿生学在产品设计中的应用具有广阔的前景，但其也存在一些限制和挑战。

例如，生物结构和功能的复杂性限制了仿生学应用的推广，需要设计者付出更高的研发成本和时间；生物系统的优异性能并不总是能够被完全模仿，需要在实践中进行不断的测试和调整，增加了设计者的风险和不确定性。

6. 结论总体而言，仿生学在产品设计中的应用具有广泛的前景和应用价值。

仿生学在农机减阻中的应用董铭强【摘要】在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。

详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理，及其在农机减阻方面的应用现状，为仿生学在农机设计中的应用提供参考。

%With the popularization of agricultural mechanization, many problems are becoming more and more serious, high resistance is an important problem to restrict the development of agricultural mechanization and the promotion, and bionics appears to be able to solve the problem. This article gives a detailed description of the mechanism of smooth surface desorption drag and reducing adhesion and re-sistance and its application status in agricultural drag reduction, so as to provide reference for the application of Bionics in the design of agricultural machinery.【期刊名称】《农业科技与装备》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】3页(P30-32)【关键词】仿生学;农机;脱附减阻;机理;减粘降阻【作者】董铭强【作者单位】沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866【正文语种】中文【中图分类】Q811;S220.1仿生学是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科，是指人类模仿生物功能发明创造技术结构的科学。

第27卷第2期2011年4月机械设计与研究M a c h i n e D e s i g n a n dR e s e a r c h V o l .27N o .2A p r .,2011收稿日期:2010-05-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775049);机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主资助研究课题(S K L R S 200805C )文章编号:1006-2343(2011)02-022-04仿生机器鱼研究进展及发展趋势王扬威,王振龙,李　健(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨　150001,E -m a i l :w y w k l y @126.c o m ) 摘　要:随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。

文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。

对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。

关键词:海洋资源;水下机器人;仿生机器鱼中图分类号:T P 242.3 文献标识码:AR e s e a r c hD e v e l o p m e n t a n dT e n d e n c y o f B i o m i m e t i c R o b o t F i s hW A N GY a n g -w e i ,W A N GZ h e n -l o n g ,L I J i a n(S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s a n d S y s t e m ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001,C h i n a ) A b s t r a c t :B i o m i m e t i c r o b o t f i s h h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n u n d e r w a t e r r o b o t d o m a i n w i t h t h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f o c e a n i c r e s o u r c e s .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a t e g o r i e s o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s ha n da n a l y s e s t h ec h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s s w i m m i n g t y p e s f i r s t l y .T h e n t h e r e s e a r c h s t a t u s i nq u o o f f i s hs w i m m i n g t h e o r y a n d b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s r e v i e w e d .A t l a s t t h e k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s d i s c u s s e d .K e y w o r d s :o c e a n i c r e s o u r c e s ;u n d e r w a t e r r o b o t ;b i o m i m e t i c r o b o t f i s h 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。

仿生减阻表面的进展与挑战
刘明杰;吴青山;严昊;于存明;蔺存国;张金伟;赵天艺
【期刊名称】《北京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2022(48)9
【摘要】减阻表面由于其在海洋船舶、管道运输、飞机和国防军事等各个领域展现出的巨大潜力和广泛的应用前景而受到越来越多的关注。

自然界中的动植物进化出了许多独特的形态或表面结构,均展现出了卓越的减阻性能。

对近年来受海豚表面启发的顺服表面减阻、鲨鱼皮表面启发的微结构减阻及受荷叶表面启发的超疏水减阻等进行了总结,并介绍了这些技术的研究进展、减阻机理和挑战,对目前仿生减阻表面的研究进行了总结与展望。

【总页数】9页(P1782-1790)
【作者】刘明杰;吴青山;严昊;于存明;蔺存国;张金伟;赵天艺
【作者单位】北京航空航天大学化学学院;中国船舶重工集团公司第七二五研究所海洋腐蚀与防护重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】Q692;O357.4
【相关文献】
1.仿生织构表面减阻的研究进展
2.仿生织构表面减阻的研究进展
3.仿生超疏水表面减阻性能的研究进展
4.仿生超疏水表面减阻性能的研究进展
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DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.05.009仿生水下机器人的总体设计与分析＊董苏德，陈佳威，孟 巧（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226002）摘 要：面向海洋牧场监测工作，设计了一款仿鲨鱼型水下机器人，提出了总体设计方案，计算了水下机器人的重心浮心，利用STARCCM+软件对水下机器人的外部流场进行仿真计算，找出压强较大的部位，为后期制作和选材提供参考。

关键词：水下机器人；总体设计；STARCCM+；水动力分析中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）05-0038-04——————————————————————————＊［基金项目］江苏省大学生创新创业训练计划项目“低功耗的面向海洋牧场的智能水下航行器”（编号：202212056011Z ）；南通市科技计划项目（编号：JCZ21113）；南通理工学院2024届“优秀毕业设计（论文）培育计划”（编号：BS202336）“海洋牧场”是指在一定海域内，采用规模化渔业设施和系统化管理体制，利用自然的海洋生态环境，将人工放流的经济海洋生物聚集起来，像在陆地放牧牛、羊一样，对鱼、虾、贝、藻等海洋资源进行有计划和有目的的海上放养[1-2]。

海洋开发必然涉及水下监测，但人的潜水作业势必要受到无氧、压力、水温等各种条件的制约。

因此，水下监测设备必将成为海洋牧场作业中的主角代替人类去直接观测生物的生活状态和生活环境，在海洋资源的开发和利用上起着不可替代的作用。

最常见的海洋观测设备有水下航行器和浮标[3-4]，水下航行器可作为移动观测点，海洋浮标可进行定点监测和信号传输。

本文将结合水下航行器和海洋浮标的特点，研究和设计一款低功耗的面向海洋牧场且具备智能水下监测系统的水下航行器。

1 总体设计此水下机器人设计的目标是使其在水下能够根据需要，对海洋牧场特定区域内的生物行为进行有效控制与追踪，对生物生存环境进行高效探测与精准评估。

第47卷第2期2021年4月航空发动机AeroengineVol.47No.2Apr.2021“仿生学”沟槽减阻仿真分析及机理研究陈璠1，徐朋飞2（1.中国航空发动机研究院，北京101300；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：“仿生学”沟槽结构在航空发动机叶片减阻和燃滑油系统减阻等领域有潜在的应用前景。

为获得该结构构型参数和雷诺数对减阻效果的影响规律，通过对鲨鱼及海豚表皮特征进行仿生设计了横向和纵向沟槽，利用数值模拟方法对不同沟槽构型在不同雷诺数下的减阻效果开展了对比研究和机理分析。

结果表明：横向和纵向沟槽构型减阻率均随雷诺数增大而减小，并且雷诺数影响占主导地位。

对于横向沟槽构型，沟槽间距较大的构型沿程阻力占主导，在相对高雷诺数下减阻效果较好；沟槽数量较多的构型局部阻力占主导，在相对低雷诺数下减阻效果较好；无间距构型在相对低雷诺数下减阻效果最好，减阻率约为4.14%。

对于纵向沟槽构型，减阻率比横向沟槽的高约1个百分点，雷诺数对减阻效果影响不大。

关键词：沟槽；减阻率；仿生学；局部阻力；沿程阻力；雷诺数；航空发动机中图分类号：V211文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2021.02.005Simulation Analysis and Mechanism Study on Drag Reduction of “Bionics ”GrooveCHEN Fan 1，XU Peng-fei 2（1.Aero Engine Academy of China ，Beijing 101300，China ；2.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ）Abstract ："Bionics"groove structure has potential application prospect in fields of aeroengine blades drag reduction and fuel /oil system drag reduction.In order to obtain the structure configuration parameters and the influence of the Reynolds number on the drag reduction ，transverse and longitudinal grooves were designed with the bionics of the skin characteristics of sharks and parative study and mechanism analysis of drag reduction effect were carried out for different groove configuration by numerical simulation method under different Reynolds number.The results show that the drag reduction rates of both transverse and longitudinalgrooves configuration decrease with the increase of Reynolds number ，and the influence of Reynolds number is dominant.For the transverse groove with larger groove gap ，the resistance loss along the way is dominant ，and the drag reduction effect is better at relatively high Reynolds number.The local drag is dominant with more grooves ，and the drag reduction effect is better at relatively low Reynoldsnumber.The drag reduction effect of the no gap configuration is the best at relatively low Reynolds number ，and the drag reduction rate is about 4.14%.For the longitudinal groove configuration ，the drag reduction rate is about 1%higher than that of the transverse groove configuration ，and Reynolds number has little effect on the drag reduction.Key words ：groove ；drag reduction rate ；bionics ；local resistance loss ；resistance loss along the way ；Reynolds number ；aeroengine收稿日期：2019-04-15基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：陈璠（1991），男，硕士，工程师，主要从事航空发动机仿真技术研究工作；E-mail ：****************。

毕业设计(论文)单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究学院名称机械工程及自动化学院专业名称机械制造学生姓名指导教师北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书Ⅰ、毕业设计（论文）题目：单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：单关节尾鳍推进式仿生机器鱼是由电机、舵机及其控制部分组成的机电一体化仿生设备。

1.功能指标：（1）完成前进、左右转弯和上浮下潜；（2）用遥控器控制，三档调速；（3）电池可充电。

2. 性能指标：（1）体积：300mm×100mm×150mm；（2）最大前进速度200mm/s；（3）最大下潜深度500mm；（4）续航能力2h；（5）转弯半径≤400mm。

Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：1、了解国内外仿生机器鱼的研究现状，完成调研报告。

2、进行市场调研，完成电机、电池、舵机、遥控器等部件的选型。

3、对机器鱼各功能单元进行划分和设计，完成机器鱼机械结构的三维建模。

4、完成需加工零件的二维图纸，并完成零部件加工。

5、零部件装配，调试及测试。

6、完成多种尾鳍外形、多种频率的驱动效率的实验研究。

Ⅳ、主要参考资料：[1]于凯.仿鱼推进的实验研究[J].华中科技大学学报,2007, 35(11):117-121.[2]刘军考,陈在礼.水下机器人新型仿鱼鳍推进器[J].机器人,2000,22(5):427-432 .[3]梁建宏.水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理[J].机器人ROBOT,2002,24(2):107-112.[4] 梁建宏.水下仿生机器鱼的研究进展II——小型实验机器鱼的研制[J].机器人ROBOT,2002,24(3):234-239.机械工程及自动化学院（系）机械制造专业类班学生毕业设计（论文）时间：2013 年3 月4日至2013 年6 月11 日答辩时间：年月日成绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室）主任（签字）：注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。