生物在流體中推進(jìn)，除了依靠由神經(jīng)系統(tǒng)控制的主動(dòng)變形外，還充分利用了推進(jìn)器官的被動(dòng)變形。認(rèn)識(shí)這種被動(dòng)柔性在生物推進(jìn)中所起的作用，不僅有助于深入理解生物推進(jìn)的機(jī)理，而且有助于仿生水下航行器的設(shè)計(jì)。

　　柔性在生物推進(jìn)中的作用是近期流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。 目前，已有的理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算均表明，適度的柔性可以提高推進(jìn)性能。由于生物推進(jìn)形成的尾跡與推進(jìn)效率有密切聯(lián)系，因此關(guān)于尾跡的研究也得到了大家的重視。2012年，法國(guó)科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柔性可以抑制生物推進(jìn)中的尾跡發(fā)生對(duì)稱破缺，有助于保持水平的反卡門渦街，從而有利于生物維持較高的推進(jìn)效率。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在生物推進(jìn)中被動(dòng)柔性作用方面取得了最新研究成果。

　　研究人員用數(shù)值模擬方法研究了如下的生物推進(jìn)簡(jiǎn)化模型：即柔性薄板的一端由垂直簡(jiǎn)諧振蕩驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在水平方向上自主推進(jìn)。研究中的流固耦合模擬采用了他們先期工作中自行發(fā)展的一套高效可靠的數(shù)值方法。模擬結(jié)果顯示，適度的柔性的確有助于推進(jìn)速度和推進(jìn)效率的提升。

　　他們的研究還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的現(xiàn)象：柔性對(duì)自主推進(jìn)翼型的尾跡對(duì)稱性具有“雙重”作用。他們通過(guò)上百個(gè)典型案例的數(shù)值模擬，研究了不同驅(qū)動(dòng)條件以及不同剛度翼型自主推進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的尾跡。研究結(jié)果表明：在某些驅(qū)動(dòng)條件下，增加柔性有利于尾跡保持對(duì)稱性，維持水平的反卡門渦街；而在另一些驅(qū)動(dòng)條件下，增加柔性反而會(huì)促使尾跡產(chǎn)生自發(fā)的對(duì)稱破缺，形成向上下一側(cè)傾斜的反卡門渦街。

　　這種柔性對(duì)尾跡對(duì)稱性的“雙重”作用在生物推進(jìn)中具有重要的意義。由于對(duì)稱尾跡對(duì)應(yīng)于高推進(jìn)效率，而非對(duì)稱尾跡對(duì)應(yīng)于高機(jī)動(dòng)性，因此，柔性不但可以被生物利用以提高推進(jìn)效率，還可以用來(lái)提高機(jī)動(dòng)性。該項(xiàng)研究的結(jié)果為提高仿生水下航行器的推進(jìn)效率和可操縱性提供了重要的理論依據(jù)。

　　相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Fluid Mechanics（論文鏈接）。關(guān)于數(shù)值方法的發(fā)展與數(shù)值模擬的前期工作，參見(jiàn)Journal of Fluids Engineering - Transaction of ASME （論文鏈接） 和Computers & Fluids（論文鏈接）。上述工作由力學(xué)所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱曉玨、何國(guó)威和張星(通訊作者)合作完成。 

　　該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目的支持。　　

　　柔性對(duì)尾跡對(duì)稱性的雙重作用。（a) 柔性抑制尾跡的對(duì)稱破缺 (其中A1為剛性情況，A2為柔性情況）；（b) 柔性引發(fā)尾跡的對(duì)稱破缺(其中B1為剛性情況，B2為柔性情況）。圖中A1和A2的驅(qū)動(dòng)方式相同且推進(jìn)速度相等；B1和B2的驅(qū)動(dòng)方式相同且推進(jìn)速度相等。（a)與（b）的驅(qū)動(dòng)條件和推進(jìn)速度均不同。