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水母游泳方式启发水下航行器设计

2022-11-30 科技日报 张佳欣
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图片来源:物理学家组织网

  双小水母是一种与水母有亲缘关系的海洋动物,它身上十多个甚至更多的柔软结构向后泵水,通过脉冲喷射推动其前进。它可以单独控制这些结构:要么同步控制,要么按顺序依次“启动”。美国俄勒冈大学的一个研究小组发现,这两种不同的游泳方式可以让水母按需优先考虑速度或能量效率。这一发现可能会为水下航行器的设计提供参考,帮助科学家建造更强大的航行器。

  由海洋生物学家凯利·萨瑟兰及其同事组成的团队将这一新发现发表在最新一期《美国国家科学院院刊》上。

  萨瑟兰说:“大多数动物要么可以快速移动,要么以一种高能量效率的方式移动,但两者无法兼得。”拥有许多分布式推进装置使双小水母既快速又高效。而且,值得注意的是,它们并没有一个集中的神经系统来控制不同的行为。

  双小水母与它的水母近亲一样,有着凝胶状、飘渺的形态。但它的结构有点复杂,例如,它的每一个喷射器都是由一个名为泳钟的单位产生的。这些泳钟聚集在动物前部的茎状结构上。与此同时,纤细的触须在后面拖曳,携带着专门用于觅食、繁殖等的结构。

  虽然包括鱿鱼和水母在内的许多海洋生物都是通过喷射推进来移动的,但大多数生物只有一只喷射器。而双小水母通常有10到20个,确切的数字因地区而异。

  研究人员用视频记录和计算机模型分析了水母的游泳模式。他们发现,这两种不同的游泳模式适合不同的情况。同步脉冲使双小水母非常快速地向前推进。异步脉冲时则移动得更慢,但更稳定,模拟实验表明,这是一种更节能的游泳方式。由于这种水母有时每天行驶数百米,异步脉冲可能更适合日常使用。

  双小水母错综复杂的运动模式可能有利于工程师向大自然汲取灵感。研究人员表示,其为开发具有多种能力的机器人提供了一个框架。例如,一个水下航行器可有多个推进器,简单地改变推进定时就可使航行器在需要时快速或高效地移动。

打印 责任编辑:梁春雨

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