王振東：漫話動物運動對仿生力學的啟示

　　動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，能巧妙地通過運動，主動有目的地迅速改變其空間位置。為了生存，動物在運動中發(fā)展了不同的運動本領(lǐng)，以提高其生命效力和生活質(zhì)量。動物的運動大體可分為游泳、行走、奔跑、跳躍、爬行、飛行等類型。無論哪種類型的運動，動物既要向前行進，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)展附著的能力，例如壁虎在豎立的墻壁上行走。

　　本文將漫話動物的運動，及對仿生力學的—些啟示。思考這一話題，至少可對以下幾方面有益：

　�、爬�用動物運動的力學機理，為民用或軍用的目的，考慮如何改進現(xiàn)有的機械設(shè)備和工具，或設(shè)計制造新型的仿生高效機械設(shè)備和工具。

　　⑵模仿動物行走、奔跑、跳躍、游泳、飛行、爬行的特點，設(shè)計、制造相應(yīng)有不同特色和應(yīng)用范圍的智能機器人（亦分別可稱為智能行走器、智能機器魚、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殊環(huán)境下使用，以達到特定的目的；
又可以為到月球、火星等別的星體上探測、研究時使用。

　　⑶在競技體育運動上，根據(jù)動物行走、奔跑、跳躍、游泳的特點，吸取其奧秘，提高運動能力和水平，以做到“更高、更快、更強”。

　　1、游泳

　　在水中生活的動物種類多、數(shù)量大。現(xiàn)在普遍認為，生命是起源于水中的。水生動物適應(yīng)水中的環(huán)境，其運動形式以游泳為主。水是水生動物運動的媒質(zhì)，其質(zhì)量比空氣重得多。水生動物要受到水的浮力，其在水中的運動阻力亦要比在空氣中大。己進化了幾億年的水生動物，其游泳的方式是多樣化的，粗略可分為擺動法、劃動法、水翼法、噴射法等。

　�、艛[動法，是指魚利用鰭的波浪式擺動來游泳。多數(shù)魚類有較大的尾鰭，以尾鰭擺動產(chǎn)生向前的推力。如體長約18cm的鱒魚擺動尾鰭2次，可從靜止狀態(tài)達到平均游泳速度1.33m/s 。但也有的尾鰭很小，體形細長、有易彎曲的脊推骨，如鰻魚在游泳時身體前部保持直而不彎，后部則左右彎曲擺動。還有很多魚類也靠擺動背鰭、胸鰭和腹鰭來游泳；
當要提高速度時，便把胸鰭貼著身體，用尾鰭擺動來輔助背鰭和腹鰭的運動。

　�、苿潉臃�，是指動物利用胸鰭、腿、鞭毛或纖毛劃水游泳。蛙的幼體蝌蚪是靠尾部的擺動游泳的，長成蛙后便依靠后肢的劃動游泳了。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胞原生動物，纖毛長約10µm，相距約2µm，像是—艘由5000具漿劃動的潛艇。在水面游泳的鼓蟲，后腿劃動每秒鐘達50—60次，可前進達100cm，而且能分泌降低水表面張力的油類，故行動迅速。鳥類中有游禽，包括鴨、鵝、鴛鴦等靠腿的劃動游泳，其趾間有蹼，當腿向后伸時蹼就展開，以增加對水的推力；
而收腿時，蹼又褶縮，以減少對水的阻力。

　　⑶水翼法，是指動物使用其流線型運動器官游泳。以水翼法游泳的，多是體形較大的水生動物，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，還有流線型的運動器官。試驗表明，體長1.9m的海豚游泳速度可達21.0m/s 。

　�、葒娚浞�，是指動物用其器官噴水以產(chǎn)生推力游泳。烏賊與章魚的呼吸鰓位于套腔中，在頭下方后端的腹面有—漏斗狀構(gòu)造和裂口。水可通達裂듀進入套腔以供呼吸；
套腔肌肉又可收縮，將水迅速擠出，以產(chǎn)生推力。體長0.2m的章魚，由靜止狀態(tài)收縮—次，在水中推進的速度可達2.1m/s 。還有扇貝，利用閉殼肌舒展收縮來開合兩殼，將水從套膜腔擠出去而實現(xiàn)游泳。

　　工程技術(shù)專家希望通過對水生動物游泳力學原理的了解，獲得啟示，以改進現(xiàn)有民用或軍用船艦，設(shè)計制造新型高效船艦，設(shè)計制造智能機器魚、潛行機器人。目前人們對魚類游泳的研究與模仿均還很不夠，例如船用螺旋槳的流體推進效率還未超過40﹪ ，而魚游的相應(yīng)效率可達80﹪以上。魚游的高機動性、穩(wěn)定性，低噪聲等指標，更為潛艇所望塵莫及。

　　文獻［2］曾介紹國內(nèi)外魚類游動推進機制的研究情況，以及美、日對智能機器魚的研制情況。研制機器魚，除模擬魚游動的局部功能外，其主要應(yīng)用目的是軍事偵察、海洋考察、尋找污染源頭等用途。

　　在競技體育運動方面，也希望借鑒、模仿水生動物的游泳，以提高運動能力和水平，奪取更多的金牌，為國爭光。據(jù)了解，我國這方面的研究和應(yīng)用有很成功的例子：

　　2001年在世界蹼泳10個項目的比賽中，俄羅斯隊奪得8枚金牌，中國隊僅獲1枚金牌，遠遠落后于俄。為改變落后的情況，武漢體育學院等單位在北京大學力學系陳耀松教授的指導(dǎo)和幫助下，對蹼泳的水動力學進行了研究，研制了蹼泳板運動仿真模擬設(shè)備，一方面進行蹼泳板的非定常數(shù)值模擬，另一方面參考數(shù)值模擬結(jié)果，在循環(huán)水槽中對不同類型的蹼泳板，進行了大量的測試實驗。依據(jù)這些結(jié)果，在蹼泳板的選材、設(shè)計和制作上，針對不同運動員的身體特點，采取不同的措施，對運動技術(shù)不斷完善，使運動水平有了喜人的突破。在2002年9月舉行的第11屆蹼泳世界錦標賽上，中國隊打破了1項世界紀錄，奪得13枚金牌和8枚銀牌，僅用了l年時間就戰(zhàn)勝了俄羅斯隊。

　　2、飛行

　　人類自古以來就幻想模仿烏在空中飛行，制造由人工支配的翼，冒險地進行飛行實驗。屈原在《離騷》詩中曾描述了空中飛行，想象自己像鳥一樣展翅飛翔，又期望駕云霧騰空。達.芬奇自30歲起用了20余年時間，認真研究鳥類的飛行，完成了《論鳥的飛行》研究手稿，論述了鳥的飛行原理。美國的萊特兄弟仔細觀察和分析鴿子的飛行，于1903年12月17日，成功地進行了人類第一架有動力、可操縱的載人飛機的飛行試驗。以后的100年，經(jīng)歷了第一次和第二次世界大戰(zhàn)，飛機得到了飛快的發(fā)展，并已向太空延伸，進入到航天時代。

　　動物界能飛行得最好的是鳥類和昆蟲。當然也有例外，哺乳動物的蝙蝠，也是善于飛行的。航空100年來，人對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，但實際上對鳥類和昆蟲飛行原理的了解均還較浮淺，尤其是對昆蟲研究和模仿得還相當少。

　　昆蟲是動物界種類最多的類群，現(xiàn)己定名的昆蟲已達七、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，對環(huán)境的適應(yīng)性很強，這主要是因為它們能夠飛行。昆蟲的翅與鳥類的翅不同，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，把翅疊起來貼在背部，起飛時馬上將翅展開，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。

　　昆蟲飛行時，翅的運動包括上下拍擊和前后傾折兩種基本動作。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，分別拉動翅基的前上側(cè)片和后上側(cè)片，使翅面作前后傾斜活動。翅下拍時，其前緣向下方切入空氣；
翅上舉時，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一次。昆蟲不前進而拍動翅膀時，翅尖成“8”字運動；
前進拍動翅膀時，翅尖便造成—系列的開環(huán)運動。

　　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和幅度，翅拍擊造成的氣流所產(chǎn)生的空氣動力，可分成向前的推力，促成蟲體前進，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，將空氣推向后方和下方，使昆蟲能在空中漂浮前進。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。

　　昆蟲的體形大小對飛行活動很有影響。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，其左右雙翅在每次上升到頂時，拍合后再行分離，并以翅前沿最早分離。蚜小蜂這種振翅方式，在翅的周圍產(chǎn)生了非定常旋渦，其力量足以舉起蚜小蜂的體重。據(jù)了解，近年來國內(nèi)外許多學者在對昆蟲的飛行機理進行研究，較細致地研究昆蟲翅膀拍動過程的空氣動力學原理。現(xiàn)也已有人在研究蚜小蜂振翅所產(chǎn)生非定常渦的機理，但至今尚還未能完全揭示其飛行奧秘。

　　蝙蝠是哺乳動物，它的前肢演化成為皮上有毛的翅膀。在滑翔時，它通過調(diào)節(jié)超前緣的迎角，降低高度而前進。在振翅飛行時，它依靠翅的上下?lián)鋼艨朔�曳力而前進、上升。蝙蝠有機動性很強的慢飛動作，對其在空中捕食飛蟲十分有利。對于蝙蝠，人們對其飛行原理的研究也還不夠。

　　鳥類是人類最早注視并模仿的飛行對象，鳥類也是振翅飛行的，鳥翅是由脊椎動物的前肢演化而成的，鳥翅長著初級飛羽和次級飛羽，組成了鳥類的主要飛行器官。鳥類在飛行時，可變動雙翅的面積和形狀，及與軀體的相對位置，促成飛行時的機動性、以及起飛或停歇�？墒侨祟惡娇�100年模仿的結(jié)果，卻只是各類定翼飛行器和旋翼飛行器，其飛行原理仍與鳥類的飛行原理相去甚遠。

　　文獻［3］［4］介紹了國內(nèi)外研究昆蟲飛行機理的情況，以及20世紀90年代開始研究智能微型飛行器的情況。

　　通過以上對動物飛行情況的討論，容易看出需要挑選幾種飛行本領(lǐng)卓越、用現(xiàn)行空氣動力學知識尚解釋不清的昆蟲（如蚜小蜂）、鳥類以及蝙蝠，進行深入地觀察、研究和實驗，探尋其飛行機理的奧秘，以供改善現(xiàn)有的飛行器、設(shè)計制造新型仿生高效飛行器、設(shè)計制造智能微型飛行器時參考。

　　3、行走、跳躍與爬行

　　人和鳥類都以雙腿行走，行走時其體重由雙腿交替負擔。用四肢行走的動物，當舉起一腿時，重心便落在其余三腿所組成的三角形之內(nèi)。昆蟲是六足動物，有很多種類的昆蟲善于行走，如蜚蠊、瓢蟲、步行蟲、椿象等。美洲蜚蠊在25℃溫度下，l秒鐘最快可行走130㎝。昆蟲行走時，一般均以—邊的前足、后足和另一邊的中足為—組，使身體重心處于另一組由另三足形成的三角形中，前進時二組交替進行。

　　很多昆蟲善于跳躍，有些鳥類和獸類也能跳躍。袋鼠、袋猴以跳躍代步，較為特殊�；认x、蚱蜢、蟋蟀、跳蚤等昆蟲的后足特別發(fā)達，當其后足的腿節(jié)和腓節(jié)由褶折狀態(tài)突然伸直時，就產(chǎn)生了跳躍的動作。一只重3克的蝗蟲雙腿能產(chǎn)生初速為3.4m/s的力量跳離地面，跳躍的角度常為60°；
一只5齡的蝗蟲可跳30㎝高，70㎝遠。跳蚤跳躍最高15cm，最遠30cm。如果將幾種動物的跳躍能力和其身體長度作比較，青蛙能跳到自身長度的12倍，跳蚤可達200倍，而體形較大的袋鼠卻只有5倍。

　　在人類舉行的運動會中，跑和跳是傳統(tǒng)的田徑比賽項目。人跳高時的四肢動作與動物頗有相似之處，但起跳前有一助跑過程，以獲得重心上升的沖力，成績優(yōu)良的運動員可越過2m高的橫桿。跳運是利用一腿的力量，將身體重心向上、向前推進。優(yōu)秀運動員可跳7m以上。人跳遠時，身體在空中移動的軌跡與青蛙的跳躍頗相似，都須有一定的高度使身體離地面的時間較長。若重心提高的時間達1秒時，距離將可達9m之遠。是否可設(shè)想，將跳躍時，一跳離跳點較遠的動物（如青蛙）的高速攝影圖像，用計算機與某競技運動員的跳遠動作進行比較分析，以調(diào)整其動作，提高其運動成績。

　　在爬行類動物中，首先容易想到的是蛇。蛇的最大特點是脊椎數(shù)目多，常達160顆以上，最多的可到400顆以上。蛇是依靠身體不同部分的彎曲，獲得支撐物反作用所產(chǎn)生的力量前進的。蛇可以在十分狹窄的地方爬行（如進入鼠穴捕食），其身體一部分彎曲，形成的波浪向后移動，使整個身體得以前進。蛇爬行的許多活動自如的特點，是由于其軀體演化成長形、而無四肢所造成的。由此我們不妨可以設(shè)想，研究和模仿蛇的動作，設(shè)計制造出智能運動蛇，以達到某種特殊應(yīng)用的目的。

　　和蛇相反的是多足爬行動物，如蜈蚣、馬陸、蚰蜒等。它們的身體分為頭和軀干兩部分，軀干由許多具有步足的體節(jié)組成。體節(jié)最少為11節(jié)，最多的上百節(jié)。蜈蚣的足活動時，每足向后一推的時間比向前一扒的時間長，而且足推動時使驅(qū)干產(chǎn)生一個波動，從而向前進。腹足類軟體動物，如蝸牛、螺螄、蛞喻等，是用塊狀的足，附在固體上爬行。可通過玻璃板來觀察蝸牛的爬行，若在足上預(yù)先滴一小滴墨水，可清楚看到蝸牛足的運動是由肌肉伸長和縮短的波形活動形成的。這些軟體動物爬行都不快，如蝸牛的爬行速度只約為2.5mm/s 。

　　綜上所述，觀察與研究動物的運動機理，模仿它們來制造各種有用的工具和設(shè)備，提高人類的競技運動水平，既是很有趣的事情，又是有重要意義的工作，應(yīng)當引起人們更多的關(guān)注。

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　　關(guān)鍵詞：游泳、飛行，跳躍，動物運動，仿生力學

　�。ㄔ�刊登于《力學與實踐》2005年27卷2期。提供天益發(fā)布時，又專門選配了彩圖。）

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