動(dòng)物運(yùn)動(dòng)對(duì)仿生力學(xué)的啟示

1、1漫話動(dòng)物運(yùn)動(dòng)對(duì)仿生力學(xué)的啟示漫話動(dòng)物運(yùn)動(dòng)對(duì)仿生力學(xué)的啟示王振東動(dòng)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(yùn)動(dòng)，主動(dòng)有目的地迅速改變其空間位置。為了生存，動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)中發(fā)展了不同的運(yùn)動(dòng)本領(lǐng)，以提高其生命效力和生活質(zhì)量。動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，動(dòng)物既要向前行進(jìn)，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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，及對(duì)仿生力學(xué)的—些啟示。思考這一話題，至少可對(duì)以下幾方面有益：⑴利用動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的力學(xué)機(jī)理，為民用或軍用的目的，考慮如何改進(jìn)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備和工具，或設(shè)計(jì)制造新型的仿生高效機(jī)械設(shè)備和工具。⑵模仿動(dòng)物行走、奔跑、跳躍、游泳、飛行、爬行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、制造相應(yīng)有不同特色和應(yīng)用范圍的智能機(jī)器人（亦分別可稱為智能行走器、智能機(jī)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(dá)到特定的目的；又可以為到月球、火星等別的星體上探測(cè)、研究時(shí)使用。⑶在競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)上，根據(jù)動(dòng)物行走、奔跑、跳躍、游泳的特點(diǎn)，吸取其奧秘，提高運(yùn)動(dòng)能力和水平，以做到“更高、更快、更強(qiáng)”。1、游泳在水中生活的動(dòng)物種類多、數(shù)量大?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，生命是起源于水中的。水生動(dòng)物適應(yīng)水中的環(huán)境，其運(yùn)動(dòng)形式以游泳為主。水是水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的媒質(zhì)，其質(zhì)量比空氣重得多。水生動(dòng)物要受到水的浮力，其在水中的運(yùn)動(dòng)阻力亦要比在空氣中大。己進(jìn)化了幾億年的

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

5、助背鰭和腹鰭的運(yùn)動(dòng)。⑵劃動(dòng)法，是指動(dòng)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(dòng)游泳的，長成蛙后便依靠后肢的劃動(dòng)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(xì)胞原生動(dòng)物，纖毛長約10m，相距約2m，像是—艘由5000具漿劃動(dòng)的潛艇。在水面游泳的鼓蟲，后腿劃動(dòng)每秒鐘達(dá)50—60次，可前進(jìn)達(dá)100cm，而且能分泌降低水表面張力的油類

6、，故行動(dòng)迅速。鳥類中有游禽，包括鴨、鵝、鴛鴦等靠腿的劃動(dòng)游泳，其趾間有蹼，當(dāng)腿向后伸時(shí)蹼就展開，以增加對(duì)水的推力；而收腿時(shí)，蹼又褶縮，以減少對(duì)水的阻力。⑶水翼法，是指動(dòng)物使用其流線型運(yùn)動(dòng)器官游泳。以水翼法游泳的，多是體形較大的水生動(dòng)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(yùn)動(dòng)器官。試驗(yàn)表明，體長1.9m的海豚游泳速度可達(dá)21.0ms。3經(jīng)歷了第一次和第二次世界大戰(zhàn)，飛機(jī)得到了飛快的發(fā)展，并已向太空延

7、伸，進(jìn)入到航天時(shí)代。動(dòng)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(dòng)物的蝙蝠，也是善于飛行的。航空100年來，人對(duì)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(shí)際上對(duì)鳥類和昆蟲飛行原理的了解均還較浮淺，尤其是對(duì)昆蟲研究和模仿得還相當(dāng)少。昆蟲是動(dòng)物界種類最多的類群，現(xiàn)己定名的昆蟲已達(dá)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(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，這主要是因?yàn)樗鼈兡軌蝻w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(kuò)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(duì)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(dòng)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(shí)，把翅疊起來貼在背部，起飛時(shí)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(shí)，翅的運(yùn)動(dòng)包括上下

9、拍擊和前后傾折兩種基本動(dòng)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(dòng)翅基的前上側(cè)片和后上側(cè)片，使翅面作前后傾斜活動(dòng)。翅下拍時(shí)，其前緣向下方切入空氣；翅上舉時(shí)，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(dòng)一次。昆蟲不前進(jìn)而拍動(dòng)翅膀時(shí)，翅尖成“8”字運(yùn)動(dòng)；前進(jìn)拍動(dòng)翅膀時(shí)，翅尖便造成—系列的開環(huán)運(yùn)動(dòng)。總的來講，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(dòng)力，可分成向前的推力，促成蟲體前進(jìn)，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(dòng)，將空氣推向后方和下方，使昆蟲能在空中漂浮前進(jìn)。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(duì)飛行活動(dòng)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(shí)，其左右雙翅在每次上升到頂時(shí)，拍合后再行分離