動物運動對仿生力學(xué)的啟示

1、1漫話動物運動對仿生力學(xué)的啟示漫話動物運動對仿生力學(xué)的啟示王振東動物和其它生物間最重要的區(qū)別，在于它們擁有經(jīng)過億萬年漫長的演化過程，形成了優(yōu)化的器官和組織，能巧妙地通過運動，主動有目的地迅速改變其空間位置。為了生存，動物在運動中發(fā)展了不同的運動本領(lǐng)，以提高其生命效力和生活質(zhì)量。動物的運動大體可分為游泳、行走、奔跑、跳躍、爬行、飛行等類型。無論哪種類型的運動，動物既要向前行進，又須適應(yīng)地心吸力的作用，以維持身體的平衡。在有些情況下，尚須發(fā)

2、展附著的能力，例如壁虎在豎立的墻壁上行走。本文將漫話動物的運動，及對仿生力學(xué)的—些啟示。思考這一話題，至少可對以下幾方面有益：⑴利用動物運動的力學(xué)機理，為民用或軍用的目的，考慮如何改進現(xiàn)有的機械設(shè)備和工具，或設(shè)計制造新型的仿生高效機械設(shè)備和工具。⑵模仿動物行走、奔跑、跳躍、游泳、飛行、爬行的特點，設(shè)計、制造相應(yīng)有不同特色和應(yīng)用范圍的智能機器人（亦分別可稱為智能行走器、智能機器魚、智能潛行器、智能爬行器、智能飛行器等），既可在地球上某些特

3、殊環(huán)境下使用，以達到特定的目的；又可以為到月球、火星等別的星體上探測、研究時使用。⑶在競技體育運動上，根據(jù)動物行走、奔跑、跳躍、游泳的特點，吸取其奧秘，提高運動能力和水平，以做到“更高、更快、更強”。1、游泳在水中生活的動物種類多、數(shù)量大?，F(xiàn)在普遍認為，生命是起源于水中的。水生動物適應(yīng)水中的環(huán)境，其運動形式以游泳為主。水是水生動物運動的媒質(zhì)，其質(zhì)量比空氣重得多。水生動物要受到水的浮力，其在水中的運動阻力亦要比在空氣中大。己進化了幾億年的

4、水生動物，其游泳的方式是多樣化的，粗略可分為擺動法、劃動法、水翼法、噴射法等。⑴擺動法，是指魚利用鰭的波浪式擺動來游泳。多數(shù)魚類有較大的尾鰭，以尾鰭擺動產(chǎn)生向前的推力。如體長約18cm的鱒魚擺動尾鰭2次，可從靜止?fàn)顟B(tài)達到平均游泳速度1.33ms。但也有的尾鰭很小，體形細長、有易彎曲的脊推骨，如鰻魚在游泳時身體前部保持直而不彎，后部則左右彎曲擺動。還有很多魚類也靠擺動背鰭、胸鰭和腹鰭來游泳；當(dāng)要提高速度時，便把胸鰭貼著身體，用尾鰭擺動來輔

5、助背鰭和腹鰭的運動。⑵劃動法，是指動物利用胸鰭、腿、鞭毛或纖毛劃水游泳。蛙的幼體蝌蚪是靠尾部的擺動游泳的，長成蛙后便依靠后肢的劃動游泳了。龍虱、水龜蟲等鞘翅類和劃蝽、仰泳蝽、田鰲等半翅類昆蟲，其身體不能彎曲，靠扁形的后腿劃游。衣滴蟲用兩根鞭毛劃水；草履蟲是長著纖毛的細胞原生動物，纖毛長約10m，相距約2m，像是—艘由5000具漿劃動的潛艇。在水面游泳的鼓蟲，后腿劃動每秒鐘達50—60次，可前進達100cm，而且能分泌降低水表面張力的油類

6、，故行動迅速。鳥類中有游禽，包括鴨、鵝、鴛鴦等靠腿的劃動游泳，其趾間有蹼，當(dāng)腿向后伸時蹼就展開，以增加對水的推力；而收腿時，蹼又褶縮，以減少對水的阻力。⑶水翼法，是指動物使用其流線型運動器官游泳。以水翼法游泳的，多是體形較大的水生動物，如企鵝、海豚、鯨魚、海龜、金槍魚等。它們除了有流線型的體型外，還有流線型的運動器官。試驗表明，體長1.9m的海豚游泳速度可達21.0ms。3經(jīng)歷了第一次和第二次世界大戰(zhàn)，飛機得到了飛快的發(fā)展，并已向太空延

7、伸，進入到航天時代。動物界能飛行得最好的是鳥類和昆蟲。當(dāng)然也有例外，哺乳動物的蝙蝠，也是善于飛行的。航空100年來，人對鳥類作了不少研究和模仿，制造了各類定翼飛行器和旋翼飛行器，但實際上對鳥類和昆蟲飛行原理的了解均還較浮淺，尤其是對昆蟲研究和模仿得還相當(dāng)少。昆蟲是動物界種類最多的類群，現(xiàn)己定名的昆蟲已達七、八十萬種，還有數(shù)倍于此的昆蟲尚未能鑒定、命名。昆蟲主要在陸地生活，分布很廣，對環(huán)境的適應(yīng)性很強，這主要是因為它們能夠飛行。昆蟲的翅與

8、鳥類的翅不同，它們不是由前肢演化而來，而是由體節(jié)的背板向兩側(cè)擴展變成的。昆蟲的翅生長在胸部。除蚊、繩等雙翅類的昆蟲外，昆蟲—般都有兩對翅，生在中胸和后胸，分別稱為前翅和后翅。昆蟲翅基部都有小骨片和胸部相連，這為翅具備各種活動能力創(chuàng)造了條件，也是翅脈起始的地方。有很多昆蟲在停止時，把翅疊起來貼在背部，起飛時馬上將翅展開，撲擊飛行，如甲殼蟲、椿象等。也有不能疊翅的昆蟲，如蜻蜓、蜉蝣等的翅只能平伸，不能折疊。甲殼蟲昆蟲飛行時，翅的運動包括上下

9、拍擊和前后傾折兩種基本動作。翅的上下拍擊，主要依靠背腹肌和背縱肌的交替收縮所造成。與翅基相連的前上側(cè)肌、后上側(cè)肌的交替收縮，分別拉動翅基的前上側(cè)片和后上側(cè)片，使翅面作前后傾斜活動。翅下拍時，其前緣向下方切入空氣；翅上舉時，其前緣向上方切入空氣。這樣，翅上下拍擊一次，翅便沿自身的縱軸扭動一次。昆蟲不前進而拍動翅膀時，翅尖成“8”字運動；前進拍動翅膀時，翅尖便造成—系列的開環(huán)運動?？偟膩碇v，昆蟲的飛行是翅的拍擊造成的。翅的拍擊要有足夠的頻率

10、和幅度，翅拍擊造成的氣流所產(chǎn)生的空氣動力，可分成向前的推力，促成蟲體前進，和向上的升力，以抵消蟲體的重力，使蟲體能漂浮在空氣中。翅的拍擊和轉(zhuǎn)動，將空氣推向后方和下方，使昆蟲能在空中漂浮前進。有些昆蟲能改變翅拍擊的斜度、幅度或頻率，以便在飛行中轉(zhuǎn)彎、倒退或停在空中。昆蟲的體形大小對飛行活動很有影響。蚜小蜂是—種體形微小的昆蟲，翅長僅0.5mm。用高速攝影可知，其翅振頻率為240次秒。蚜小蜂飛行時，其左右雙翅在每次上升到頂時，拍合后再行分離