利哈伊大学 使用内部快速边界元法数值框架产生的游动海豚留下的尾流结构
结果是由利哈伊的博士生法特玛·阿扬西克得出的
学分:利哈伊大学 有一天，水下机器人可能会如此接近地模仿鱼类等生物，以至于它们不仅会愚弄真正的动物本身，还会愚弄人类
这种能力可以提供从鱼类健康状况到外国船只位置的信息
这种机器人需要速度快、效率高、机动性强、声音隐蔽
换句话说，它们必须非常像宽吻海豚或虎鲸
“我们对开发下一代水下机器人感兴趣，所以我们试图了解海豚和鲸鱼如何像它们一样高效地游泳，”基思·W说
泊尔是利哈伊大学机械工程和力学的助理教授
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罗辛工程和应用科学学院
“我们正在研究这些动物是如何设计的，从它们的游泳表现或者它们游泳的流体力学来看，这种设计有什么好处
" 停泊是最近发表在《皇家学会界面杂志》上的一篇论文的主要研究者，该论文通过数值模拟海洋中摆动的尾翼来研究海洋推进的流体力学
摩尔和他的团队第一次能够开发出一个模型，可以定量预测鳍的运动应该如何适应其形状，以最大限度地提高其效率
这项研究是海军研究办公室在其多学科大学研究计划下支持的一个更大项目的一部分
该项目在五年多的时间里获得了700多万美元的资助(其中100万美元给了利哈伊)，还包括弗吉尼亚大学、西切斯特大学、普林斯顿大学和哈佛大学
鲸目动物(鲸鱼和海豚)的尾鳍形状多样
这些动物移动它们鳍的方式，或者它们的运动学，也是不同的
一些鲸目动物可能会以更大的幅度拍打鳍，或者以更陡的角度倾斜鳍
泊尔和他的团队希望更好地理解这两个变量之间的相互作用，以确定尾翼形状是否适合特定的运动学
利用五种鲸目动物的形状和运动学数据(常见名称为宽吻海豚、斑点海豚、虎鲸、假虎鲸和白鲸)，他们对每种物种进行了模拟，以确定其推进效率
然后他们交换了数据，例如，运行一个连接到海豚运动学的虎鲸鳍形状的模拟
“我们进行了25次这样的交换模拟，我们真的很惊讶，”泊尔说
“伪虎鲸鳍的形状总是最好的，这意味着它是最有效的
我们给它什么运动学并不重要
不管白鲸附着在什么形状上，它的运动学总是最好的
我们没有预料到这一点，所以我们开始深入研究它，并开发了这个相对简单的模型，说明效率是如何随着不同的运动学和形状变量而变化的
" 该模型很好地捕捉了泊林和他的团队已经生成的数据，因此他们扩展了他们的数据集来检查任何结果趋势
他们发现，他们的模型不仅预测了数据集以外的效率，还揭示了特定的形状是根据特定的运动学而定制的
泊尔说，一个有趣的发现是循环力和附加质量力之间的基本相互作用，它们对动物的运动有贡献
循环力是产生升力的力，就像飞机一样
“上下摆动的尾巴产生的力就像飞机一样，但它也会产生额外的质量力，这与流体加速的速度有关，”泊林说
“过去，人们不认为这些增加的质量力与鲸类游泳有什么关系
在以前的文献中根本没有承认
但是我们发现鳍的加速度对于预测效率的趋势是不可或缺的，这让我们着迷
它最终给了我们一个准确的预测模型
没有它，我们基本上会说鳍的形状不会改变效率，这是不正确的
" 拥有一个可以根据形状和运动学预测性能的模型，为建造一个性能像鲸类动物的水下机器人提供了一个基本的设计方程式
迄今为止，这些方程式还不存在
这些机器的潜力巨大
快速、高效、高机动性的鱼形机器人可以帮助研究人员测试关于动物如何游泳的假设，并更好地理解鱼群的行为
它们可以用来探测潜艇和其他潜水器
它们还可以用来监测气候变化对鱼类种群的影响
泊尔和他的团队已经继续前进，并扩展了他们的缩放模型，以考虑更大范围的变量，然后用实验数据进行验证
最终，他们希望建立一个更具预测性的模型
捕捉这些变量的影响，然后可以预测一系列应用程序的性能
“这种鱼游泳的问题真的是一个令人兴奋的问题，因为它太复杂了，”他说
“抓住这些混乱的变量，看看其中的顺序，看看其中的结构，了解从根本上发生了什么，这是非常有趣的
"
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