鰩魚近底運動數學建模 

波動翼近底運動流線圖

　　近日，中國科學院沈陽自動化研究所在海洋底棲生物的非定常壁面效應研究方面取得了新進展。相關研究成果于2022年發表在海洋工程領域頂級期刊Ocean Engineering。

　　目前，海洋機器人在機動性、能量效率等方面與水下生物仍有較大差距，開展水下生物驅動機理研究對于提升海洋機器人機動性、能效有積極意義。海底地形測繪、油氣資源勘探等近底作業任務是現代自主海洋機器人的重要應用場景。研究表明，水下生物能夠充分利用外部環境提升自身能量效率。鰩魚在貼近海床時，會主動降低胸鰭振幅，調整魚體運動攻角，此行為能否提升鰩魚能量效率，是本研究關注的問題。由于在鰩魚撲翼游動過程中，魚體柔性翼與海床間距時刻發生變化，屬于非定常壁面效應，為揭示鰩魚近底狀態下主動行為的內在機理帶來極大挑戰。 

　　沈陽自動化所海洋機器人前沿技術中心基于鰩魚近底游動關鍵形位特征，利用計算流體力學軟件構建壁面附近二維柔性翼模型，開展非定常壁面效應研究。研究結果表明，非定常壁面效應在不同振幅下對推進力和推進效率均有改善，但升力的表現不同。對于特定數學模型，存在臨界振幅：當模型振幅大于臨界振幅，升力為負，魚體向地面傾覆；反之，則升力為正，鰩魚可能正是利用較低振幅，獲取正升力以平衡自身重力。推進力和升力變化的本質在于壁面與翼片之間空間形狀的變化，影響流體流動結構和壓力分布。研究揭示了鰩魚等負浮力魚類在海床附近游動減小振幅和調整俯仰角行為的內在機理，同時為近底作業型水下航行器開發提供了思路。 

　　該研究得到了國家自然科學基金和機器人學國家重點實驗室自主項目的支持。