仿生间歇运动：一种提升蝠鲼仿生水下航行器能效的新型节能策略

本文创新性地提出基于蝠鲼仿生原理的间歇运动节能策略，通过两自由度（2DOF）柔性胸鳍实现扑动-扭转复合运动。实验表明：在振幅A=70°、频率f=0.8Hz、占空比DC=0.9时节能达70.4%；低频段（0.1-0.3占空比）推进效率提升11.9%，粒子图像测速（PIV）揭示了涡流脱落与节能机制的关联，为长航时水下作业提供新思路。

　　

亮点

间歇运动作为海洋生物普遍采用的节能策略，在不同推进模式（BCF/MPF）和行为策略中展现出显著优势。本研究通过仿生蝠鲼原型机系统揭示了占空比（DC）对能量优化的深层机制。

实验原型设计

基于CT扫描的蝠鲼解剖特征（图1A-B），研制了具备两自由度（2DOF）柔性胸鳍的仿生原型。胸鳍采用辐射状骨架结构，可实现扑动（振幅40°-70°）与扭转的复合运动，其流体动力学性能通过定制水槽实验平台验证。

水动力学实验

图6A-D显示：在固定振幅下，平均推力系数随DC增加呈下降趋势（频率0.5-0.8Hz），高频段降幅更显著。特别在DC=0.9（A=70°，f=0.8Hz）时，相较连续运动节能达70.4%。低频段（DC 0.1-0.3）推进效率提升11.9%，揭示间歇运动在低速工况的独特优势。

讨论

通过PIV观测发现：间歇运动通过调控涡旋脱落模式（如前缘涡LEV和反向卡门涡街RVK）实现能量优化。该机制与蝠鲼自然游动中发现的发夹状涡（HV）负压效应相印证，为仿生航行器运动参数匹配提供理论依据。

结论

1. 1.

   占空比增加显著降低平均功耗，高频工况下节能效果更突出

2. 2.

   低频段间歇运动使推进效率提升11.9%

3. 3.

   涡流控制是间歇运动节能的核心机制

   该研究为仿生水下航行器的长航时作业奠定了实验基础。