鯽魚的形態(tài)、肌電、材料本構實驗研究與“數(shù)字魚”數(shù)據(jù)庫初探.pdf

1、對魚類游動的生物力學問題進行實驗研究，在科學探索和技術開發(fā)兩方面都極具意義。近年來，伴隨著實驗手段和技術的多樣化、精細化和系統(tǒng)化程度的提高，針對魚類游動運動鏈一體化的定量化研究成為一大趨勢。為此，本文基于“神經(jīng)控制一肌肉主動收縮一被動變形”這一控制框架，對鯽魚的形態(tài)學、肌電信號以及皮膚、肌肉和軀干力學性能及本構關系進行了實驗研究，并在此基礎上歸納總結出“數(shù)字魚”的簡化模型，進行了如下主要工作：
　　 一、對鯽魚樣本個體以及不同樣

2、本構成的鯽魚群體，對幾何形態(tài)參數(shù)、質(zhì)量形態(tài)參數(shù)方面的規(guī)律進行了實驗研究：通過對不同鯽魚樣本的二維形貌記錄，確定了其身體各部位，如頭長、軀干長、全長等變量和體長的線性對應關系；通過影柵云紋法和三維坐標機直接測量法的定量測量及其結果的對比，得到了鯽魚三維形貌的幾何形態(tài)參數(shù)。采用分段切片的實驗方式，研究了其軀體由頭到尾的質(zhì)量分布規(guī)律。通過對不同鯽魚樣本體長和體重進行統(tǒng)計，明確了二者之間的冪指數(shù)對應關系。
　　 二、研究了鯽魚游動過程中

3、的肌電測量技術，詳細論述了肌電實驗的手術操作過程，經(jīng)過成年男性心電信號測量實驗的標定和檢驗，利用自行設計制作的肌電放大器對鯽魚在C形快速起動狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎側(cè)體表紅肌的肌電信號給出了初步的測量結果，得到了其轉(zhuǎn)彎側(cè)體表紅肌幾乎同時開始活動、其持續(xù)的活動時間大致相同、并遠小于魚體完成整個運動歷程所需時間的結論；通過前人學者就其他魚種在巡游狀態(tài)下的肌電測量實驗結果來推斷鯽魚相應的結論；根掘肌電活動模式，探討了鯽魚快速起動過程中毛氏細胞同步觸發(fā)運動神

4、經(jīng)信號、產(chǎn)生肌肉同步收縮的神經(jīng)控制方式；基于鯽魚肌肉伸展方向與頭尾軸存在夾角的結構特點，討論其可能提供更高收縮張力的潛在助益。
　　 三、采用單軸拉伸實驗的方式對鯽魚的皮肽和肌肉分別進行了破壞實驗、松弛實驗和蠕變實驗，以確定其楊氏模量、歸一化松弛函數(shù)和歸一化蠕變函數(shù)，并通過粘彈性力學模型確定其本構關系，討論了其粘彈性性質(zhì)以很小的能量損耗為代價，卻增加了軀體有效剛度的可能性。采用自行設計制作的彎曲變形實驗機，對鯽魚不同部位軀干進行

5、彎曲變形實驗，以考察其角剛度和力學性能，得到了其軀干前端角剛度最大的結論；通過長時間交變加載實驗的結果，獲得了在動態(tài)彎曲變形的情況下，可將魚體軀干近似視為彈性體的結論。
　　 四、對鯽魚的形態(tài)學參數(shù)、肌肉活動模式、皮膚和肌肉本構關系、以及軀干動態(tài)彎曲實驗的結果進行歸納總結，通過無量綱化的方式進行處理，得到了通用的實驗數(shù)據(jù)，初步建立了“數(shù)字魚”模型，得到了諸如“數(shù)字魚”水平斷面即為其俯視形態(tài)，且包絡于NACA0014和NACA00