互动科普

一种高效的游泳机器

Michael S. Triantafyllou，George S. Triantafyllou

鱼通过本能控制涡流，使之按照自己的路径游泳。一种机器金枪鱼也已采用这种涡流控制，下一步船舶和潜艇也可能釆用。

数百万年来，在广阔而往往充满敌意的王国里，鱼已进化了游泳的能力，在许多方面远甚于航海科技所能达到的程度。它们本能地运用其极好的流线型躯体以利用流体力学的原理，而海军工程现在对采用这些方式来达到异常高的推进效率、加速度和可操作性还只能是幻想。

例如，当海豚尾随在以每小时20浬（节）或约每小时23英里航行的船尾时，以极为优美、怡然自得的姿态从水中掠过，顽皮地破浪前进。而鱼的最大速度记录并不总是可靠的，往往大有争议。海洋生物学家曾报导，钓丝上捕捉到的黄鳍金枪鱼，至少能以40节的速度游泳。攻击性的狗鱼以短时间的爆发加速度来制服其猎物，该加速度可超过重力加速度约20倍。

同样，仔细的观察表明，依赖在水中的灵活性而生存的鱼，可调转方向游泳而不减速，且转向半径只有它们体长的10-30%。相比之下，行驶着的船必须减速50%以上，而且转向半径至少大于鱼的相应值的10倍。

然而，不管有多么巨大的潜在效果，但对鉴别和应用鱼类推进的特有特征方面作的研究则比较少，这些特征可能对水下船只或水面船只有利。无疑地，障碍并非是缺乏商业动机，全世界每年船运的大量货物和乘客，意味着即使效率方面有轻微的提高，也会节省很多的燃料。此外，提高机动性也可对乘客、科学仪器和环境减少事故的发生和更加安全。

如此迷人的、即使是遥远的可能性，正是1989年夏天与在美国马萨诸塞州科德角的伍兹霍尔海洋研究所我们的同事进行非正式对话的主題。在许多地方，这种讨论也许是无用的。但在伍兹霍尔，正如在麻省理工学院一样，对先进的高效推进系统的需求是急迫的。这两个机构属全世界数十个正在研究机器人操作的自由游泳船的机构之列，总有一天这种自由游泳船将用来探查海洋和深度、执行军事任务和帮助维护海上石油设施。由于在甲板上能源贮备受到极大的限制，所以这些所谓的自给式水下运载器要求推进器比现在所使用的螺旋桨有更高的效率。

无论如何，研制这种水下运载器会证明是大有希望的。仅仅模拟鱼的形状和功能来复制鱼的性能是不可能的，因为有鱼样体形的一个光滑、连续弯曲的运载器已超出了今天机器人技术发展的水平。但从长远来看，这种努力的效益仍然是不可抗拒的。

除作者外，我们的研究组包括伍兹霍尔海洋研究所的Mark Grosembaugh、麻省理工学院的Dick K. P. Yue和我们的一些学生及博士后副手、纽约大学城最著名的Kunt Streitlien和麻省理工学院的David S. Barrett。我们着重补充生物学的研究，如Lamrence C. Rome在宾夕法尼亚大学进行鱼肌肉消耗动力的研究；Richard W. Blake在不列颠哥伦比亚大学进行狗鱼快速起动性能的测定以及密执安大学Paul W. Webb所作的鱼游泳稳定性的研究。

我们从制作简单的翼（foils）开始，对于获得涡流在高效游泳中的作用之新结论来说，这些翼足以精密的相似于尾的挥动。我们在这些结果的支持下，建造了一个尾很细的兰鳍鱼枪鱼（Thunnus thynnus）的复制品。这个机器人有8个链环组成的躯体和尾装置，我们叫它为机器金枪鱼（Robo Tuna），它将进一步完善我们的研究结果，并将之作为我们目前正在制作的、自由游泳模型的原型。

海豚的秘密

在设计我们的机器时，我们利用了在理论、实践和生物学长期研究中的关于鱼怎样游泳的成果。1936年英国动物学家James Gray通过计算海豚以20节运动所需的动力而引起了轰动，这正如某些报导所指出的那样。Gray假定，运动中海豚的阻力与坚硬模型的阻力相同，并估计了海豚肌肉能够传道的动力。他的被称之为Gray悖论的结论是，对于要获得如此快的速度来说，海豚的力量太弱，只有约七分之一。这必然意味着，运动中海豚的躯体周围有流动机制在起作用，它使阻力降至七分之一。

在该结论阐述几乎60年后，Gray悖论仍须切实加以证明或推翻。对于科学的可靠性所需的生物学和流体力学试验，要求的准确度已超出这两个领域的技术水平。尽管如此，它已引起了大量研究人员对之进行研究，并积累了一大批关于鱼游泳之理论的和实践的结果。不过，尽管有这些研究试验成果，但几乎都没有任何有用的技术可间接地归因于鱼游泳的原理。在某些早期的研究中，尽管是有希望的理论基础，但鱼激发起的机制表现得很不够。考虑到鱼的非凡能力，这对我们来说似乎是真正的悖论。

如果鱼是一般想象的那样高效的游泳机器，它的主要推进器——它的尾——也必然是非常有效的。

但根据先前的研究，我们发现的困惑之一是，用鱼样的尾进行的试验都获得了令人失望的低效率。因此，我们的首要任务是弄清为什么会如此。

用马达驱动的船，其效率为有效功率（推力乘以前进的速度）除以马达驱动翼或推进器所消耗的功率之比值。最理想的是所有马达的功率都应转换成推力，所得比值为1。实际上，效率总是低于1，因为马达的部分功率是以不定的涡流和其它不需要的紊流以及热的形式浪费掉了。对于性能来说，最重要的因素是在合理的高水平推力时推进器的效率；如果一个装置虽然很有效，但却只产生低水平的推力是无用的。

任何一个在流动中的物体，无论它是风中的一段金属丝或水中游泳的箭鱼，都会产生旋转涡流的尾迹。金属丝阻碍流动，并留下一个尾流，而也的尾把水逆推，形成称为射流更为适合的一种现象——一个流体柱，其中包括产生推力的涡流。我们已确信，这些喷射的涡流在产生推力方面起着重要的作用。我们证实，它们的最佳形成将大大提高效率。

根据先前我们对金属丝在空气中产生涡流所作的研究，我们已完全获知称作Strouhal数的流体动力学参数。它是在流体中的一个物体之后，涡流形成的频率与尾流宽之积，除以流体的速度而得。这个数字表示，在尾流中的涡流是好多时间产生一次，以及涡流之间有多紧密。有趣的是，对于各种各样的流体状况和物质形状而言，这个比值保持在约0.2的恒定值。

虽然Strouhal数是设计用来描述流体障碍物后面的尾流的，但尾流与射流之间是如此之相似，以致我们认为，可以用这个数来描述射流。对于游泳的鱼，我们将Strouhal数定义为尾挥动的频率与射流宽度之积，除以鱼的速度。

通过分析拍动翼所得的数据，我们发现，在Strouhal数为0.25至0.35时，可最佳地形成产生推力的涡流。我们估计，对于这些值来说，效率应为最大。在麻省理工学院用测试槽所作的一些初步试验证实，当Strouhal数在上述范围时，拍动翼的效率确实达到最高。

我们随后与Grosembaugh合作研究，分析了从游泳的鱼收集的大量数据。我们发现，体躯大小不一的也，从金鱼到鲨类，是在理论测定的0.25至0.35范围内的Strouhal数摇摆它们的尾。为了清楚地显示涡流和紊流的形成，我们分别作了试验，其中我们在悬浮有细小粒子的液体中放一尾小的热带鱼，测量鱼的速度以及它拍动尾的頻率和振幅，我们计算出Strouhal数为0.3。在确信了该数在获得髙效率的重要性后，我们计算了已报道过的、效率令人失望的先前拍动翼试验的值。根本没有哪个是接近0.25至0.35的范围。用更新的热忱回复到我们的试验中，我们调准了翼使在这个范围内操作——测定效率髙于86%。相反，用来驱动水下运载器的小推进器，效率一般不超过40%。

为什么翼是有效的

使我们的翼具有高效率和高推力的原因，可能是在翼（或鱼的尾）之后涡流的排列方式。当负载增大时，涡流变得更加强烈，但它们的旋转方向总是与所需要的推力方向相一致的，从而产生一种有效的射流。另一方面，一个推进器产生一个长的射流，它以推进器旋转的方向旋转，而与运动和所需推力的方向垂直。全部用于促使旋转这种射流的功率都浪费掉了。将这种浪费降至最小和提高效率的唯一方法是使推进器负荷非常轻，通常的办法是使它具有尽可能大的直径。

这些试验所得的另一个惊人的结果，是关于效率和“冲击角度”（即翼的运动方向和它导致与追踪边所形成面之间的瞬时角度）之间的关系。在我们的试验中，我们发现当冲击的最大角度是在15和25度之间时，效率最大。这一发现表明稳定飞机飞行和拍动推进之间的根本差异。为了避免失速，固定翼飞行的基本原理需要机翼一般应完全保持在15度以下的冲击角度。直到角度超过30度，该翼才会发生显著的失速。

这些结果表明，指示固定翼失速的标准不适用于拍动翼。实际上，在两种情况下引起失速的原因是在机翼之上和之后突然形成失控的涡流，在飞行器的情况下，则破坏机翼之上正常的平滑流动。但是使用这种拍动翼，涡流不会完全自动引起失速。事实上，正确地控制和排列涡流对翼的髙效运转是重要的，因此在一个广泛的角度范围内，它们能够被控制以产生有用的推力是不足为奇的。

这些发现以及关于Strouhal数的发现表明，正确设计的翼，对于船、摩托艇和水下运载器是一种非常有吸引力的推进器。已知它的天然优点和在今天的技术能力之内已完全具有开发合适的马达和齿轮这一事实，这种翼可能是鱼所激发的技术之首次应用。利用准确定位、成偶数的反向运动翼，能够将令人讨厌的摆动和振动降至最低。当然，将来的造船师也必将寻找结构的可靠性、船尾的流体动力学形状和其它变量。

尾的特技

髙推力和高效率相一致不是拍动翼的唯一优点。它还提供更灵活的作业、更大的可操作性和最有趣的从尾流回收动能的诱人机会的可能性。

鱼本能地、准确而有效地控制身体周围的流动，从其波浪、紊流以至它们自己的尾流中吸取能量。它们还进化了控制流动的方式，以致增强了它们转向和起动的技能。对鱼乃至对拍动推进来说，这些基本原理仍然是不够的。安装在船上的推进器比在槽中进行测试的推进器稍微更有效，因为运动的推进器从尾流中回收一定的能量。这种现象通常被船舶设计师们所采用。

但是，鱼、海洋动物和它们的机器模型更适合于这种控制。海豚在船的尾流中连续嬉戏和跳跃至数英里，很明显是由于巧妙地定位它们的身体和拍动它们的尾而回收了能量，这与Gray数十年前所记录到的以及纽芬兰纪念大学的Neil Bose近来所作的研究相同。鱼也能从海洋的涡流，甚至从它们自己身体所产生的涡流中回收能量。

自德国工程师1927年首次研究以来，把用固定翼从不稳定的流动中吸取能量称作Katzmayr效应。1991年我们把一个拍动翼放在水流中一圆柱体后的一定距离，研究了一个相关的现象。圆柱体产生的涡流行列向翼移动，我们能够架设和侧向移动此翼，使在不同的位置碰到这些涡流行列。系统的试验证实，这样的调节可提高或降低效率。

特別是当定时准确时，翼振动产生的涡流与反方向旋转进人的涡流相遇。这种效应削弱了尾流中的涡流，导致能量被翼捕获，并使其效率增大。这种方式很明显对加速度或髙速游泳最为理想，但它仅仅是应用此种装置的三种可能的方式之一。随着定时的变化，我们促使了在同一方向旋转的涡流相汇合并相互增强，导致一个很强的射流，但没有明显的立即实用的效果。在第三种情况中，我们使反向旋转的涡流配对以产生蘑菇形的旋涡；如果是鱼尾产生的，它们将减慢这种生物的速度。总的说来，根据方式的不同，我们至少可使这种翼的效率改变2倍。

这是我们获得的一系列成果之一，对一些不同的观察装置有了新的认识。1959年美国工程师Moe William Rosen对一尾小的、快速游动的鱼之后的流体所拍摄的照片清楚表明，鱼尾产生的涡流与身体产生的反向旋转涡流有相互作用。已有报导，如大马哈鱼和鳟鱼之类的鱼，当其在逆流中艰难地航行时，可利用如岩石后产生的、迎面而来的涡流以提高它们的游泳效率。在这种连续出现的涡流的帮助下，它甚至可使鱼的游泳效率超过100%。

涡旋度的控制对于某些鱼的令人惊奇的瞬时性能也是很重要的，它的快速起动、突然加速和操作远优于船舶和潜艇。实质上，使这种灵活性之所以成为可能，是由于产生突然的、非常强大力量的能力。另一方面，船和潜艇不能控制它们船体周围的流动，以很慢的速度运动，它们有非控制性的，产生巨大阻力的涡流之极强大的尾流。

涡流的控制提供了一个新的解决办法。理想的是产生有利的压力梯度，并把它们控制在最佳的响应下。特別是架设和升降一个翼至最大角度，并反过来再产生一个强大的、突然的力量，使之理想地适应于操纵和快速起动。这种运动产生一个大的初始涡流，随后很快地产生另一个反方向旋转涡流。当第二个涡流在第一个涡流和翼的表面之间直接捕获时，产生一个突然向前的推力和一个侧向力。

这种操纵正好就是快速起动而灵活的鱼用其尾来实现的。鱼刚要朝某个方向射出之前，它的身体极度弯曲，使身体前半部定向为与移动的最后方向成60至120度。如此的定向对鱼来说是必须的，以补偿伴随推力的侧向力。

机动的兰鳍金枪鱼

正如拍动翼在解释鱼游泳的流体动力学那样，真正证实这些原理是有用的，除此之外，转换这种技术的第一步在于构建一条利用这些原理进行游泳的人造鱼。约在两年前，我们已有足够的信心开始这样做。我们选择了兰鳍金枪鱼作为我们的模型，因为它有众所周知的航行能力，而且它的体积正适合在麻省理工学院的测试槽中进行试验。

把用阳极化处理的铝的八个链环装置弯曲成49英寸长的机器金枪鱼的身体和尾，此鱼以六个无刷马达和一个带子与滑轮装置所驱动。一组紧密组合的“肋”和一种呈网状泡沫和敷形莱克拉的特殊皮肤可以很平滑的弯曲并使分散的紊流保持至最少。我们将整个装置附着在一个滑架下，在其上安装所有的马达和控制及通讯设备。一根支柱包住数据和动力缆索。

沿机器金枪鱼一侧的几个传感器记录流体压力，正如鱼应用其侧线感觉器官检知压力的变化一样。与力和运动转换器一起，它们详细地评价游泳力和推进效率。同时测量力使我们能直接将流动特征与游泳性能联系起来，并能控制流动以增强模型的推进和操纵效果。不久，侧面安装的压力转换器将使我们能用闭合环控制涡旋度试验，以至机器金枪鱼如同自然界真正的金枪鱼一样，将能够根据迎面而来的涡流和它身体周围的流体之反应来摇动它们的尾。我们用染料或激光束使水中的微粒子发磷光，使得机器鱼周围的流体可见。

几个月后，另一代机器金枪鱼将要成形。我们希望借用现有机器人开发的技术，去开始建造一个自由游泳模型。基于我们对流体控制机理认识的增加，下一代机器鱼将用来开发更加先进的技术，有可能用于商业和海军的运载工具。

用快速产生和控制的大涡流来改进运载工具的操作性和快速起动的测试床是更重要的事。即使是在海洋研究中这种能力也可能被证明是极为宝贵的。在这种情况下，水下运载工具有时必须在险恶的或受限制的环境下操作。例如，在热喷发口附近，几英尺的间隔或几秒钟内温度可急速上升至几百摄氏度。在混乱的空间内，灵活性有时也能避免碰撞或严重事故的发生。

不可能比真正的鱼更完美

我们的机器金枪鱼设计变得愈加复杂，我们对其有血有肉的模型就更加赞赏。应该认识到，我们的设计将不会达到与这种完美无缺的活生物相媲美，但应该努力去发现自然界中经几百万年进化而达到最佳化的有用的机理。一旦确认，一种反演工程（reverse engineering）可使我们去发明应用的这些机理的新途径。有时，这些生物学上激发起来的创作品，在用途的方面甚至比它们的天然产物表现出更佳的性能——例如在调查海底的扩展方面。

本文的目的是讨论新出现的生物模拟科学的指导原则。通过集中研究力量和指导选择参数，高度适应的、成功的生物之行为和本能的细节，可能对发展某些机器人和其它有用的系统是极可贵的。我们的计划需要提出和回答关于游泳机械方面的基本问題。

例如，鱼游泳就是仅受肌肉的机械限制的流体动力学原理的简单行为吗？虽然海豚和金枪鱼两者游泳的速度都很快，并以相同的方式弯曲它们的身体，但在游泳的细节上有显著的差异。它们都是最佳的解决办法吗？如果是一个优于另一个，那么这种优越性是局限于某些情况吗？我们所关心的更重要的问題是，对于游泳来说，有比它们中任何一个更好的设计没有？

这些是属于我们希望在下一个机器金枪鱼中应研究的问题。在机械系统中该项技术发现的现状表明，我们将要作最大的努力才能实现它的活模型的惊人能力，但我们有耐心。总之，在几年的时间内，我们将弄清花费了若干世代才形成的过程。

【刘义思/译  赵裕卿/校】