不只是顺其自然

通过 弗兰克·艾略特·菲什, 乔治·劳德

现代可视化技术表明,水生动物可以改变其流体环境,以提高游泳和收集食物的效率。

生物学 演化 物理 形态学

当前的问题

这篇文章从发行

2013年3月至4月

第101卷第2期
第114章一更

DOI: 10.1511 / 2013.101.114

游泳的鱼和海豚似乎毫不费力地在水中移动。即使他们滑行,他们似乎也不会失去任何速度。但是,严格的物理定律和流体力学原理决定了水如何在动物周围流动。这种流动决定了动物必须产生的力以及它们必须消耗的能量才能运动。动物在水中推动自己的过程不仅必须与往后推动流体相抵触,而且还必须迫使它们穿过不可压缩的介质。尽管这些物理力缺乏灵活性,但水下动物已开发出高效的手段来控制流量并经济地在水生环境中移动。

约翰·达比里(John Dabiri)。

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水生动物与其周围水之间相互作用的观察,称为水生动物 流场 回到达芬奇。达·芬奇(Da Vinci)意识到鱼流线形的优势,因为它围绕着鱼流。他认为鱼可以在阻力很小的情况下穿过水,或者 拖动。 流线型的形状使水在身体上顺畅流动。后来,在1809年,空气动力学之父乔治·凯利爵士(Sir George Cayley)检查了鳟鱼和海豚精简的身体形状。他认为它们的相似形状是设计中流动阻力最小的实体。最近,杜克大学的史蒂文·沃格尔(Steven Vogel)在1981年的著作中向生物学家介绍了生物与水流的相互作用。 移动流体中的生命。他的贡献使人们对动物和液体介质之间的相互作用有了更大的赞赏。

流动的控制既可以被动地进行,也可以主动地进行。动物使用涉及身体设计和表面纹理的被动机制,这些机制会改变身体表面的流动状况,以减少阻力。另一方面,对水流的主动控制涉及活动的鳍板和桨板,它们调节落入尾流的水流。 漩涡。 涡度 是流体旋转或旋转的趋势。涡旋的极端形式是 涡流。 旋涡是旋转的旋流流体,可以在下水道,烟圈,龙卷风和飓风中旋转时观察到。

直到最近的20年,动物对流量的控制在很大程度上没有概念化,而是形象化。对动物和水流相互作用的期望是基于简单的工程系统。流线型,合成翼,波浪板和抛光表面是与动物进行比较的标准。但是,动物表现出多种多样的形状和动作,因此可能以以前未曾想到的方式影响流动动力学。与人类设计的系统不同,动物在运动过程中会改变形状,从而使流体环境中的运动分析更加复杂。

生物学家最近一直在使用与工程师相同的技术来可视化流动,这些方法极大地帮助了生物学家描述和量化动物周围的流场。一种机制是沿着游泳动物的表面或尾流将染料引入水中,这显示了流体轨迹的连续记录。类似地,粒子图像测速(PIV)可以通过照亮引入流体中的反射粒子来可视化流动的路径。粒子被投射到宽的“薄片”而不是单个光束中的激光照射。这种光学方法还可以定义围绕动物的二维或三维场中的流速。跟踪流中的颗粒需要高速摄像机和复杂的计算机软件。与这些流动可视化的实验方法相比,计算流体动力学使用计算机从数值解中模拟流动,数值解基于控制流体运动的理论方程式。

使用这些多样的流动可视化技术进行的研究为动物如何操纵流动提供了新见解。关于最佳运动设计和力学的长期想法正在接受测试,这些方面包括增强推进力,减少阻力以及协调进给和运动。理解动物如何控制水流不仅对了解水生物种的进化有重要意义,而且对于开发受生物启发的机器甚至阐明全球气候变化都具有巨大意义。

推力或阻力 

不论是水母还是鱼类,now鱼还是鲸鱼,游泳动物都会通过产生与阻力阻力相反的推力来推动自身。推力和阻力是流体力学的阴阳。在恒定游泳速度的条件下,推力和阻力必须相互平衡。为了快速游泳,动物需要能够将阻力最小化并将推力最大化。产生的推力和阻力量对游泳的总能量成本有影响。当动物推动流体介质推动自身前进时,它会将动能从其身体运动转移到水中。此外,阻力会消耗人体运动的能量,这会使动物减速,除非它被肌肉动作产生的推进运动所抵消。

阻力主要是由流体与人体相互作用产生的摩擦力和压力产生的。摩擦阻力是由皮肤和紧挨着的薄薄一层流体之间的摩擦引起的,称为 边界层。接触皮肤的流体由于其粘度或“粘性”而附着在皮肤上而不会打滑。由于这种防滑条件,由于粘度而产生的摩擦 边界层内的流动。这种剪力就像推在桌上的一副纸牌的顶部上一样:底部的纸牌保持固定在位,而顶部的纸牌用手移动,并且中间的所有纸牌都稍微移动。边界层拥有能量,可以保持其对皮肤的流动。但是,边界层内的摩擦切变表示能量损失为阻力。

鱼可以在身体上分泌粘液或粘液,以减少摩擦阻力。粘液是脂质和蛋白质的组合,其中许多包含长链分子,其中一些可以作为 表面活性剂 (降低流体的表面张力)。自1940年代末以来,全球工程师(在船舶,潜艇和管道上工作)已经确定,将长链聚合物的稀溶液添加到流体中是减少阻力的有效手段。粘液类似地降低了鱼周围水的粘度。例如梭子鱼, 紫叶蕨拥有粘液,可将摩擦阻力降低多达66%,并且鱼可在短时间内达到每小时27英里的速度。

阻力的另一种类型是压力阻力,它取决于流中物体的形状。伯努利原理描述了流体的压力和速度之间的流体力学联系。该原理于1738年由瑞士数学家丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli)首次发表,其原理是压力和速度成反比,因此,当速度降低时,压力增加,反之亦然。水对人体面部的冲击使流量减速,从而增加了压力。 (考虑将手悬吊在行驶中的车窗外时如何向后推动手。)由于水顺着人体轮廓移动,因此加速并因此降低了压力。在被驱逐到尾流之前,水流会随着压力的增加而再次减速,但幅度不会达到身体的前部。身体周围的压力差会产生力的不平衡,并导致压力拖曳。压力拖曳的物理表现是尾流的宽度:窄尾流比宽尾流的压力拖曳少。宽尾流是由于压力变化和边界层的相互作用而引起的。如果边界层流动中的能量不足以维持流动的下游方向,压力变化将导致边界层过早地与体表分离,形成涡流,增加涡旋并产生较宽的尾流。因此,特别是当沿着体表运动的流体保持附着时,阻力被最小化。

詹姆斯·罗尔

流量的控制主要是通过简化身体形状以最大程度地减少阻力。鱼,海豚甚至潜水艇都具有细长的水滴设计,这绝非偶然。这种形状使单位体积的阻力最小。压差最小,边界层保持附着,使尾流保持狭窄。太空和海军作战系统中心的吉姆·罗尔(Jim Rohr)和迈克尔·拉兹(Michael Latz)证明了滑翔海豚的这一事实。这些研究人员能够利用海洋浮游植物的生物发光来可视化海豚周围的流动。机体周围流动中的剪切应力扰乱了单细胞浮游生物并使其发光。

粗加工  

尽管从直观上看,光滑的表面可以帮助最大程度地减少游泳动物的阻力,但粗糙的皮肤实际上可以更有效地控制身体上的流量并减少阻力。纹理化的表面会在靠近身体表面的边界层区域内产生湍流。尽管这种湍流会增加摩擦阻力,但会向边界层注入更多的能量。湍流增加的能量通过克服不利的压力变化来稳定边界层。因此,湍流边界层不太可能分离并增加压力阻力。同样的构造解释了为什么带有凹痕的高尔夫球比光滑的球运动得更快,更远。凹坑会在球表面附近引起湍流,这种增加的能量会延迟流分离并缩小尾流的宽度。

鱼在体表上具有各种复杂的结构,可能像高尔夫球的酒窝一样。旗鱼, 剑鱼,具有细长的讲台(或口鼻部),表面上有坑洼和颠簸,这可能会引起人体边界层的湍流。许多骨鱼被小鱼覆盖 类胡萝卜素 鳞片(以鳞片的后部,下游边缘上的小齿状突起命名)也可以改变边界层的流动,尽管到目前为止,关于骨鱼鳞片的水动力效应的研究很少。

牙医照片由Johannes Oeffner提供;鲨鱼照片由George Lauder提供。

另一方面,鲨鱼的皮肤已经研究了很多年,并且具有显着的表面结构。鲨鱼皮布满了无数小 细齿 (或鳞片)通常在表面和面向下游的插脚上具有三个凸脊。这些紧密堆积的细齿在皮肤表面上方延伸并进入边界层区域。每个牙齿都像小牙齿一样,牙釉质,牙本质和牙髓腔与哺乳动物的牙齿同源。不同的鲨鱼物种具有不同的牙齿结构细节,并且身体的各个区域显示出具有特殊形状的细齿 s。 头部附近的齿状体可以具有平整的摊铺机状表面并具有减少的脊,而身体和尾巴上的齿状体具有长的尖头和较深的脊状。

尽管工程师已经对附着在刚性表面上的粗糙材料的减阻功能进行了大量研究,但重要的是要研究鲨鱼在活体鲨鱼运动过程中皮肤表面移动时其表面的功能。由于研究鲨鱼皮流体动力学的实验并不容易在活鱼上进行,因此可以使用机器人设备在实验室环境中移动孤立的鲨鱼皮块。我们中的一个人(劳德)设计了这样的设备,使皮肤的柔性部分可以在循环水箱中“游泳”,这模仿了皮肤在活鲨鱼上运动的方式。可以测量皮肤上流过的水的模式,并将其与去除了细齿的皮肤进行比较。

图片由Johannes Oeffner和George Lauder提供。图来自George Lauder和Tom Dunne

这些研究表明,鲨鱼皮肤的细小颗粒可提高游泳速度,因为去除细小颗粒以形成更光滑的表面后,皮肤碎片的游泳更加缓慢。当存在细小颗粒时,游泳速度的增加可能是减阻的结果,因为细小颗粒起到产生湍流边界层的作用。但是有关鲨鱼皮肤上水流的实验数据也表明,这些细齿改变了水流的方式可能会增强推力。鲨鱼皮制成的柔性膜上的流成像显示,涡旋在表面附近形成. 该涡流包含低压区域,该低压区域用于增强皮肤产生的推力。去除细齿后,前缘涡旋远离表面,从而降低了低压抽吸对推进力的影响。

向前推进

推进需要动物通过加速大量流体产生推力,这可以通过身体自身的动作从鳍和桨等附属物实现,也可以通过将流体喷射到喷头中来实现。加速后的流体被配置为带有中央喷嘴的涡流环,其结构与吹烟环相同。的确,加利福尼亚理工学院的约翰·达比里和弗吉尼亚州的旧统治大学的伊恩·巴托尔分别使用染料注射和PIV来观察水母和头足类动物(如鱿鱼和章鱼)后脉动性喷射出的液体。水母和鱿鱼的推进作用产生了一系列独特的涡流环,其射流直接位于动物的后方,类似于烟圈。

改编自汤姆·邓恩(Tom Dunne)的《劳德和德鲁克》,2002年。

鱼的蠕动体会产生许多涡流,这些涡流会逐渐消失。尾部达到最大的侧向偏转时,其动作会将涡旋向上滚动到一个涡旋中。随着鱼的涡流逐渐消失,随着身体弯曲而尾巴反向,新的涡流以相反的旋转方向形成。交替的涡流是三维连接的。身体和尾巴的连续横向起伏将尾流组织成相互连接的涡流环的交错阵列。这些涡流环引起朝向侧面,向后并穿过环中心的喷流. 射流产生推力以克服车身的阻力。

由作者礼貌

当我们使用PIV检查少年鳄鱼的游泳时,苏醒后出现了不同形式的涡流。短吻鳄会起伏地游泳,因为波浪从身体向下传播,尾巴逐渐变细,尾巴的幅度越来越大。每次半冲程结束时,涡流环从尾部脱落。由于锥形尾部的鞭状动作将流体夹带到尾流中,每个涡流环都被拉长了。此外,每个涡流环均未与进行中风产生的涡流环相连,就像在鱼类中观察到的那样。

通过控制尾流中涡旋的模式和周期性,可以实现最佳的推力推进和效率。在鱼的尾流产生的有效射流在狭窄的范围内是可能的。 斯特劳哈尔数 表示流动不稳定程度的一种度量,它决定了尾流动力学。这个无量纲的参数是尾鳍(或尾鳍)的推进频率与横向位移的乘积,该尾鳍产生涡旋,并除以动物的速度。 Strouhal数的最大效率在0.2到0.4之间。鱼和鲸类动物通常保持在此最佳范围内,因此可实现比标准船用螺旋桨更高的推进效率。但是,短吻鳄的Strouhal数高于最佳范围。与更加专业的游泳者相比,该两栖动物的效率和推进性能也可能降低。

我们中的一个人(劳德)使用唤醒可视化技术来揭示漩涡的模式与游泳动物的步态变化有关。这些步态变化类似于在地面运动中观察到的步态转变。水生动物的步态变化以不同的速度,加速和回旋而发生。

对蓝g翻车鱼进行的工作表明,根据游泳速度,这些鱼使用不同的鳍片组合来推进。在慢速航行时,蓝fish翻车鱼仅使用成对的胸鳍(位于鱼的靠近头部的每一侧)产生推力,而在较高速度时,这些鱼会招募额外的鳍(尾鳍,肛门在下侧和背鳍在上)产生更大的推进力步态的变化反映了胸鳍对推力产生的限制。这些鳍片产生一个双涡流环,其中心射流朝向侧面。这种游泳步态可促进低速时的控制和平衡。随着速度增加,射流更侧向定向。这增加了稳定性,但限制了推力的产生。未成对的鳍和身体起伏的变化允许更多的动量从鱼向下游转移到水中。与蓝blue翻车鱼的步态变化相反,随着速度的增加,冲浪者使用不同的策略,并且能够在广泛的游泳速度下继续使用其胸鳍,而无需募集其他鳍。当冲浪者游泳得更快时,它们的胸鳍的拍打运动使胸腔涡流环重新定向,从而将中央射流直接引向下游,从而产生推力。

能量捕获

涡旋的产生是在流体介质中推进的必然结果。掉下来的涡流代表游泳动物大量的能量损失。但是,如果动物能够从漩涡中提取能量,则它们可以更有效地游泳。由于能量是有限的资源,可能会影响动物的生存和生殖努力,因此具有水动力机制具有自适应优势,可以重新捕获发往尾流熵的能量。

数据由Frank Fish提供,Tom Dunne绘制。维基媒体的照片。

水生动物经常以高度有组织的形态旅行,例如学校。通过按照定义的模式对齐自己,组中的个人可以利用其他人生成的流模式来减少阻力并增强运动表现。领导者产生的涡流会向后传递并影响落后的个体。如果尾随动物与漩涡的切线速度平行并沿相同方向移动,则其相对速度会降低,从而减小阻力。涡流由于两排反向旋转的涡流(被称为无源物体)而陷入被动物体的尾部。 卡尔曼涡街, 以空气动力学先驱西奥多·冯·卡曼(Theodore vonKármán)的名字命名,在该处,减阻的最佳位置直接位于前机体的后面。我们中的一个人(鱼)能够训练小鸭在流动槽中的鸭子诱饵后面游泳。小鸭会游泳。代谢测量结果表明,随着生产线中小鸭数量的增加,每只小鸭的能量消耗降低。诱饵的存在会更明显地产生这种效果,从而产生唤醒。此外,确定了该行中的最后一只小鸭子游动最少。通过在母亲后面游泳以减少运动量,小鸭的行为就像普通的赛车手和自行车的节奏线。

我们(劳德)的一名博士生James Liao在圆柱形物体后面的储水箱里游鱼。鱼可以保持在圆柱体后面的位置,从而产生涡街。通过在漩涡之间激流回旋同时停留在物体的尾流中,鱼可以减少阻力,甚至可以向前推动。鳟鱼可以在漩涡之间游动,而其身体的肌肉组织活动却很少。游泳时肌肉活动的减少强烈表明,与自由运动相比,鱼类正在节省大量能量。

尽管其样式与Kármán涡街相似,但由游动的鱼的摆动尾巴产生的涡旋却以相反的方向旋转。这是推力型涡旋系统。在该系统中,动量射流指向鱼的正后方。紧随鱼的动物的流速会随之增加,并且阻力随之增加。以色列理工学院的丹尼尔·韦斯(Daniel Weihs)确定,鱼群的最佳配置是菱形图案,尾随鱼在涡街外。在此位置,尾随的鱼会利用涡旋的旋转。当主要鱼类在尾流中离开两排涡流时,旋转液在远离鱼类的一侧具有正向成分。尾随鱼类通过横向游向涡街来利用涡的前向速度。由于拖尾鱼沿与切线速度相同的方向游泳,因此其相对速度小于学校的游泳速度,因此单个鱼的阻力减小了。钻石形状的鱼将游泳产生的力降低了四到六倍。

小鲸类通常将自己定位在较大动物的最大直径旁边,并稍稍在后面。在这个位置上,较小的个体会获得精力充沛的好处。这种作用对年轻的海豚与母亲保持速度尤为重要。由于伯努利效应,在他们的身体之间引导的流动会产生吸引力,从而吸引婴儿和母亲。韦斯(Weihs)估计,新生的海豚可以利用这种机制来获得与其母亲一起移动所需的推力的90%。尽管年轻人受益匪浅,但较大的母亲会受到拖曳后代的拖累。

稳定性和机动性

每只自由游动的动物都需要操纵水流来满足两个相对的功能:稳定性和可操纵性。稳定性可自我纠正干扰,并保持所需的姿势姿势。可操作性则相反,它允许受控的不稳定性产生方向变化,并使动物停止和起步。悬浮在水中而没有固体支撑物倚靠的游泳动物,必须具有足够的塑性,可以同时做这两种动物,但要有动作上的经济性,以免破坏整个系统的稳定性。形态学添加可以控制流动模式,以提高稳定性和可操作性。

伊恩·巴托(Ian Bartol)

巴托(Bartol)和他的同事们研究了被密封在坚硬的骨骼甲壳中的黄fish鱼。这种形式损害了稳定性控制,因为鱼无法弯曲其身体,而必须使用鳍的运动组合。这些额外的运动会消耗鱼的能量,只是为了稳定身体并在水流中保持位置。但是,甲壳装有称为龙骨的结构,有助于被动地稳定身体。龙骨位于腹侧和腹侧(在腹部的每一侧)。水流过龙骨时会产生涡流。这些旋涡产生的吸力随着鱼与水流成角度而增加。力使身体回到更稳定的方向。

尽管稳定性对于直线向前游泳或在水流中保持姿势很重要,但是可操作性可能更为重要,因为动物很少会直线移动。当生死攸关时,猎物需要复杂的动作才能击败捕食者,或者使捕食者转得足够快以捕获难以捉摸的猎物。我们中的一位(鱼)专注于座头鲸与水上动作相关的流体动力学。需要这些技巧来捕捞比鲸鱼小很多且更具操纵性的鱼。座头鲸使用拉长的胸鳍(可长达身体长度的三分之一)执行急转弯和围栏鱼。

就像飞机在转弯时一样,脚蹼会产生提升力,从而使鲸鱼转身。升力的大小与脚蹼与迎面而来的水流所成的角度(称为迎角)相关。升力将增加,直到迎角达到临界点为止 失速 ,这里的升降机急剧下降。在飞机上,失速可能是灾难性的,但是对于鲸鱼在水面漂浮的情况,失速将意味着无法完成转弯和食物损失。实际上,在转弯时使脚蹼失速就像在弯曲的道路上行驶并撞到一块冰一样;汽车将切向切向转弯行驶。

图片由William Rossiter提供;底部两幅图片由Eric Paterson提供。

在高攻角上延迟失速对于座头鲸转弯更紧并吃饱饭至关重要。为此,鲸鱼鳍具有新颖的设计。脚蹼的前缘有10个突出的圆形凸起或 结节 。杜克大学的工程师Laurens Howle和他的同事在美国海军学院的风洞中测试了带有和不带有结节的鳍状肢的理想模型。他们发现,带有结节的鳍状肢比具有直的前缘的鳍状肢在更高的迎角下失速。 Howle和他的同事还证明,结节增强了举升的产量,并且在不增加阻力的情况下就产生了流体动力效益。

要了解结节为何起作用,首先了解翼状结构周围的正常流动会有所帮助。气流首先撞击机翼的前缘,然后在机翼表面的上方和下方均向后直线偏转。当机翼以正攻角倾斜时,气流在上表面产生的压力较低,因为流体的运动速度快于下表面上的流体的运动,后者向下偏转。上表面上的流体流动得更快,因为它必须在更短的时间内行进,而下层流体则需要花费更少的时间才能从前缘流到后缘。上部和下部流必须在后缘同时相遇,以保持流的连续性。达芬奇首先提出了这个想法。由于两个表面之间的压力差和偏转流体的动量而产生升力。随着接近失速角,上表面上的流动没有足够的能量来拥抱表面并开始分离。失速时在上表面形成的涡流破坏了压力差并减小了升力。

弗吉尼亚理工学院和州立大学的航空工程师埃里克·帕特森(Eric Paterson)和他的学生约翰·雷芬伯格(John Reifenberg)使用计算流体动力学模型来说明结节如何改变流动。计算模型表明,当气流直接在结节上移动时,气流朝机翼后缘加速。实际上,气流被通电,使其保持附着在机翼表面并防止失速。

结节上的流如何被激发?该结果由结节之间的谷中的流动来解释。当流撞击两个相邻结节之间的波谷中的前缘时,它会偏转到波谷的中心,从而产生一对具有相反旋转的涡旋。紧接在结节上方的每个漩涡的每个旋涡都有一个自旋,该自旋与流动的方向相同。夹在两个涡流之间的结节流被激励并加速,这避免了与机翼表面的分离并防止了失速。此动作类似于棒球投球机,它通过将球挤压在两个反向旋转的轮子之间来加速球。

潮起潮落

流动可视化和计算流体力学的现代技术的出现使生物学家对游泳动物周围流动的动力学有了更深入的了解。可以从功能,生态和进化的角度研究与在水性介质中运动相关的物理适应性。甚至具有全球影响的问题也受益于对生物流体动力学的深入了解。 Woods Hole海洋学研究所的Dabiri和Kakani Katija Young提出,由生物的运动作用产生的流动模式可以归因于海洋混合。换句话说,动物的持续运动可以作为在海洋中垂直能量传输的有效机制。由众多游泳者引起的水流刺耳的声音产生了搅动海洋的生物湍流。动物流向尾流的涡流会增加混合所需的能量,这会影响全球海洋环流并促进营养物质的运输。这种能量传递的含义是,游泳动物可能是调节全球气候变化的一个组成部分。

我们的研究计划专注于动物操纵流量的能力,这为先进技术的发展和改进提供了新的机遇。通过与工程师和物理学家的合作,我们参与了仿生和生物灵感设计的新兴领域。这些领域试图将来自自然界的新颖结构和机制整合到工程系统的设计和功能中。对与流量控制有关的不同机制的洞察力可用于创建和改进日常技术。根据鱼群的流动动力学,在现代风电场中放置涡轮机可以类似地提取更多的能量。通过增加基于座头鲸鳍状肢的前缘结节,通过船舶操纵面产生的举升可以增强操纵性能。

右上图由Hossein Haj-Hariri提供;照片由George Lauder提供。

目前,我们正在研究通过翻车的挠性鱼鳍以及蝠ta和st鱼进行流量控制的可行性,以将其仿生应用到机器人系统中,尤其是用于改进自动水下航行器(AUV)。 AUV用于调查和感知海洋环境。将动物的运动专门知识纳入AUV中可以操纵流量以减少能量消耗,增加推力,提供高效率并增强可操纵性。生物体和机器都承受相同的物理力,因为动物和工程系统必须在比空气密度高800倍,粘性高60倍的流体环境中工作,而阻力是运动的主要障碍。我们希望下一代AUV的开发将包括通过灵活的摆动式鳍片来推进。工程学为我们提供了复杂的成像方法,使我们能够揭示水生动物在其流体环境中获得优势所使用的秘密,并且现在可以将生物学信息反馈给工程系统的发展。

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