魚游動
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-09-03
魚游動的實例教程
鳥類飛行時會周期持續地扇動翅膀，金q魚游動時會高速循環擺動尾部（圖1），動物大腦神經傳出信號，心臟就會周期性節律跳動……造物主的神奇讓我們為之驚嘆，為什么只要給予一點點持續不變的能量刺激，它們就不斷做出類似的“自動循環運動”？人類是否可以借鑒這種行為，制造出自動循環運動的“智能機器”？
圖1. 自然界中的自動循環運動行為（圖片來自網絡）
科學家們一直在尋求這樣的可能性。近日，西湖大學工學院智能高分子材料實驗室取得突破，他們從一株蔓藤的變形中得到靈感，開發了一種自動循環運動光控新系統。5月28日，Nature Communications報道了這一研究成果，西湖大學2018級博士研究生胡志明為第一作者，西湖大學工學院特聘研究員呂久安為通訊作者。
現有材料無法完美復制自然界的行為
對自然界“自動循環運動”的研究很早就開始了。最初科學家們制造的“人工智能材料”比較“笨”，在給予恒定的外部刺激下，會動，但只會動一次。比如光照形變材料，這種材料受到光照射后形狀會產生變化，達到一定程度后也會穩定下來，但無法自動變回原來的狀態。如果想讓它再動起來，只能實施人工干預，換一種光源去“刺激”它。更令科學家氣餒的是，這類材料的動作也十分機械，只能做上下，或左右，或彎曲等單一的模式運動，自由度很低。
之后，科學家和工程師們嘗試在合成材料系統中實現自動循環運動行為。
展開 其實魚在水中游動，產生繞流，同時會產生相應的頻率；顯然，金魚和鯊魚不在一個量級，海洋中不同魚種互不串臺。海豹的胡須就是一個探測器，對食物魚類特別敏感。胡須在食物魚類產生的繞流中，會發生共振，由此大大提供捕食的成功幾率。
人類正試圖利用渦激振動來進行風力發電機。如若成功，不需要齒輪傳動裝置的風力發電機，可以大大節約生產制及維護成本。因為可以直接利用風對高大鈍體產生的渦激振動，利用振動產生的機械能發電。
簡介：
2005~2006 年 ， SEBJ (Hydro-Quebec) 在加拿大魁北克省詹姆士灣的 伊斯特梅恩河（ Eastmain River in James Bay, Quebec, Canada. ） 建造了一座魚梯。
在 2006 及 2007 兩年 ，在 接續的研究中發現原本設計給鱒魚的魚梯并沒有發揮希望的效果。
因此，決定采用 FLOW-3D 針對這座魚梯進行數值模擬計算，找出魚梯設計上可能的問題，并且加以解決！
計劃位置：
Eastmain-1 project 計劃中，在伊恩斯特大壩的下游 14 公里處有一個 480 MW 的發電廠。 在該處有一座泄洪堰以及一座魚梯，魚梯的設計是為了讓魚類能夠順利進入附近小溪的產卵區。 大家一致認為采用魚梯的概念，希望能夠設計出最大的流量，以吸引魚類往魚梯的位置游動，遷移至上游。 該魚梯長度達 150 米 ，由 17 個混凝土墻組合而成。這些混凝土墻長度為 15m ，混凝土墻設計了相當深的凹型槽，能夠讓底棲魚類使用。魚梯的底部以大石頭鋪設。 魚梯的高度落差為 3 米 。 在正常的繁殖季節，魚梯位置的流量為最大流量（ 22 m 3 /s ）的 45% ，魚梯凹型槽位置的最高速度為 2, 6 m /s 。
魚梯最佳化設計前的狀況
有待解決的問題：
在 2006 以及 2007 年的相繼研究中，發現鱒魚以外的魚種可以順利使用該魚梯（但是鱒魚卻不行）。
研究指出了兩個可能的問題：該魚梯無法吸引鱒魚，或者是該魚梯的水流速度過快。
最佳化的設計關鍵
減少水流于魚梯位置的流速，避免魚群從泄洪堰走，吸引魚群走魚梯的位置。
讓魚梯位置的水流速度在短距離內（ 1~ 2m ）降低至 1.8m /sec 。
展開 波菲力的團隊制造出看起來像魚的機器人。這些研究人員希望他們的機器有足夠的說服力，讓真正的魚能夠接受機器魚作為他們群體的一部分。這樣，機器人就可以把魚從危險的地方引開，比如漏油區域。
圖2：波菲力及其團隊設計并制造了模仿魚的機器人
波菲力始終對動物很感興趣。在他的成長過程中，他最喜歡的活動之一就是去動物園。但波菲力也喜歡在日本漫畫中看到的機器人。所以當他開始創建自己的實驗室時，決定將這兩個興趣結合起來。
科學家們已經知道，魚類喜歡成群結隊地游泳。魚群的領導者會創造出尾跡，也就是在它們深厚留下混亂的水域。由于在另一條魚的尾流中游泳所消耗的能量比單獨游泳要少得多，因此許多魚類會跟隨領導者，并因此形成魚群。為了弄清楚魚是否會接受機器人的領導，波菲力的團隊首先要建造魚形機器人。它靈活的尾巴可以來回擺動，推動機器人向前。波菲力解釋說，為了讓真正的動物與這個裝置互動，魚需要看到些看起來像它們的東西，比如像它們一樣游泳。
研究人員把魚形機器人放在實驗室的水渠里，讓機器魚的尾巴以不同的速度拍打水流。然后他們加入了真正的魚，比如金光魚，并測量了金光魚待在魚形機器人附近的時間。他們還觀察，這條魚是在機器魚前面還是后面游動。如果機器魚的尾巴沒有擺動，金光魚就沒怎么注意它。但是當機器魚的尾巴以一定的速度移動時，魚就開始跟在它后面游動。波菲力認為魚會跟隨機器人游動，因為那會讓它們更節省能量。?
不過，并不是所有的魚都跟隨機器魚前進，波菲力的團隊現在正試圖找出原因。工程師們可能需要使用幾個不同的機器人，每個機器人吸引或排斥不同的魚，以吸引盡可能多的追隨者。
波菲力的團隊還在研制一種機器人潛水艇，用來幫助圈養的動物。帶有螺旋槳的潛艇會傷害動物。因此，研究人員正在研制一種“安全”的潛艇，它的所有運動部件都在里面。水族館的訓練人員可以使用機器人潛水艇與海豹或海象等動物玩耍。
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其實魚在水中游動，產生繞流，同時會產生相應的頻率；顯然，金魚和鯊魚不在一個量級，海洋中不同魚種互不串臺。海豹的胡須就是一個探測器，對食物魚類特別敏感。胡須在食物魚類產生的繞流中，會發生共振，由此大大提供捕食的成功幾率。
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他們還觀察，這條魚是在機器魚前面還是后面游動。如果機器魚的尾巴沒有擺動，金光魚就沒怎么注意它。但是當機器魚的尾巴以一定的速度移動時，魚就開始跟在它后面游動。波菲力認為魚會跟隨機器人游動，因為那會讓它們更節省能量。?
不過，并不是所有的魚都跟隨機器魚前進，波菲力的團隊現在正試圖找出原因。工程師們可能需要使用幾個不同的機器人，每個機器人吸引或排斥不同的魚，以吸引盡可能多的追隨者。
大家一致認為采用魚梯的概念，希望能夠設計出最大的流量，以吸引魚類往魚梯的位置游動，遷移至上游。 該魚梯長度達 150 米 ，由 17 個混凝土墻組合而成。這些混凝土墻長度為 15m ，混凝土墻設計了相當深的凹型槽，能夠讓底棲魚類使用。魚梯的底部以大石頭鋪設。 魚梯的高度落差為 3 米 。
