仿生魚魚體剛度對能效的影響及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著陸地資源的日益緊張，人類逐漸將探索的目光投向了廣袤的海洋。海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，包括生物資源、礦產(chǎn)資源以及能源等，其開發(fā)與利用對于人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。在這樣的背景下，水下航行器作為海洋探測與開發(fā)的重要工具，受到了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的水下航行器，如基于螺旋槳推進(jìn)的潛艇等，雖然在海洋探測和作業(yè)中發(fā)揮了重要作用，但它們存在著一些明顯的局限性。例如，螺旋槳推進(jìn)方式會產(chǎn)生較大的噪聲，這不僅容易驚擾海洋生物，影響海洋生態(tài)環(huán)境，還會使航行器在軍事偵察等任務(wù)中暴露自身位置；同時，其機(jī)動性相對較差，在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，如狹窄的海峽、珊瑚礁區(qū)域等，難以靈活地進(jìn)行轉(zhuǎn)向和操控。而魚類，作為自然界中優(yōu)秀的水下“航行者”，經(jīng)過數(shù)億年的進(jìn)化，發(fā)展出了卓越的游動能力。它們不僅能夠在水中靈活自如地穿梭，實(shí)現(xiàn)高速、高效的游動，還具有極低的噪聲和良好的環(huán)境適應(yīng)性。魚類的這些優(yōu)勢，主要得益于其獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式。其中，魚體剛度在魚類的游動過程中起著關(guān)鍵作用。魚體剛度是指魚體抵抗變形的能力，它與魚體的材料特性、結(jié)構(gòu)形狀以及肌肉骨骼系統(tǒng)的協(xié)同作用密切相關(guān)。不同種類的魚類，其魚體剛度具有顯著的差異。例如，金槍魚等高速游泳的魚類，其身體具有較高的剛度，這有助于它們在快速游動時保持身體的穩(wěn)定性，減少能量的損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效的推進(jìn)；而鰻魚等則具有較低的身體剛度，使其能夠以靈活的曲線運(yùn)動方式在復(fù)雜的水域環(huán)境中穿梭。研究魚體剛度對能效的影響，對于揭示魚類的游動機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。通過深入探究魚體剛度與能效之間的內(nèi)在聯(lián)系，我們可以更加深入地理解魚類在不同游動狀態(tài)下如何優(yōu)化自身的能量利用，從而為水下航行器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供新的思路和理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，這一研究也具有廣泛的應(yīng)用前景。對于仿生機(jī)器魚的研發(fā)而言，通過模仿魚類的變剛度特性，可以設(shè)計(jì)出更加高效、靈活的仿生機(jī)器魚，使其在海洋監(jiān)測、水下救援、軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。在水下航行器的設(shè)計(jì)中，借鑒魚體剛度的優(yōu)化策略，有助于提高航行器的性能，降低能耗，延長續(xù)航時間，從而更好地滿足海洋開發(fā)和探索的需求。當(dāng)前，雖然在仿生魚研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，但對于魚體剛度對能效的影響以及魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究仍存在許多不足之處。例如，現(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對魚體性能的影響，而對于多因素耦合作用下的魚體性能研究相對較少；同時，在魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，缺乏系統(tǒng)的、全面的優(yōu)化方法，難以實(shí)現(xiàn)魚體結(jié)構(gòu)的整體性能最優(yōu)。因此，開展仿生魚魚體剛度對能效的影響研究以及魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析具有重要的理論和實(shí)際意義，有望為水下航行器的發(fā)展帶來新的突破。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在仿生魚研究領(lǐng)域，魚體剛度、能效以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化一直是備受關(guān)注的重要研究方向，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度展開了深入探索，取得了一系列具有重要價值的研究成果。國外在仿生魚魚體剛度與能效的研究方面起步較早。[具體文獻(xiàn)1]通過對金槍魚的研究發(fā)現(xiàn)，金槍魚在遠(yuǎn)距離巡航游動過程中，能夠利用其獨(dú)特的肌節(jié)以及尾柄肌腱結(jié)構(gòu)動態(tài)地調(diào)整身體柔順性，進(jìn)而優(yōu)化推力傳遞，提升游動速度與推進(jìn)效率。這一發(fā)現(xiàn)揭示了魚體剛度在高效游動中的關(guān)鍵作用，為后續(xù)的研究提供了重要的生物原型參考。受此啟發(fā)，研究人員嘗試開發(fā)了多種基于鋼絲、彈簧的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來模擬金槍魚的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中暴露出結(jié)構(gòu)復(fù)雜性高、可靠性相對較低或調(diào)節(jié)能力有限等問題，難以在復(fù)雜的流體環(huán)境中有效發(fā)揮作用。在仿生魚結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，國外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。[具體文獻(xiàn)2]設(shè)計(jì)了一種可折展與變剛度調(diào)節(jié)的仿生魚結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于折扇形可折展魚尾結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同擺動位置的閉合和張開，提出了一種新的仿生機(jī)器魚尾鰭推進(jìn)機(jī)制。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在提高仿生魚的游動性能和環(huán)境適應(yīng)性，但在實(shí)際應(yīng)用中，可能還需要進(jìn)一步優(yōu)化以提高其能源利用效率和運(yùn)動穩(wěn)定性。國內(nèi)的研究也取得了豐碩的成果。哈爾濱工程大學(xué)的學(xué)者[具體文獻(xiàn)3]針對現(xiàn)有變剛度仿生機(jī)器魚存在的無法實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)或不能在調(diào)節(jié)時保持魚體流線型外形的問題，設(shè)計(jì)了一種可變剛度且不破壞魚體外形的機(jī)器魚結(jié)構(gòu)模型。通過生物魚生理結(jié)構(gòu)分析、連續(xù)體魚體剛度和串并聯(lián)魚體剛度對比，確定了串并聯(lián)魚體剛度模型，并對其進(jìn)行剛度分析和固有頻率求解，建立了魚體剛度與機(jī)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，明確了魚體剛度和固有頻率的關(guān)系。通過對魚體所受水動力分析，建立水動力數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立魚體能效方程。利用Adams進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明當(dāng)魚體剛度與擺動頻率相匹配時，機(jī)器魚能效最高；擺動頻率增加時，魚體前進(jìn)速度增大，但能效降低。針對原剛度模型存在的問題，進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)，建立了可調(diào)剛度的單支腿剛度模型和主被動剛度解耦模型，仿真驗(yàn)證了優(yōu)化后模型的可行性，并基于此對機(jī)器魚模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了原模型問題且未影響其他特性。中國科學(xué)院自動化研究所等單位的研究團(tuán)隊(duì)[具體文獻(xiàn)4]基于金槍魚的肌肉功能結(jié)構(gòu)和生物調(diào)節(jié)機(jī)制，將人工肌肉與電機(jī)驅(qū)動技術(shù)相融合，開發(fā)出高效的仿生動態(tài)剛度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和具備實(shí)時形變調(diào)節(jié)能力的新型柔性魚尾。利用六軸力傳感裝置對魚尾推進(jìn)性能進(jìn)行評估，并在自主游動機(jī)器魚平臺上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)顯著提升了推進(jìn)性能，實(shí)現(xiàn)了多頻率下15%-203%的推力增益，游速也實(shí)現(xiàn)了-42%-37%的大范圍調(diào)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了基于偏微分方程（PDE）狀態(tài)觀測器反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制框架，為柔性魚尾在流體環(huán)境中的控制提供了有效的解決方案。盡管國內(nèi)外在仿生魚魚體剛度對能效的影響以及魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對于魚體剛度與能效之間復(fù)雜的非線性關(guān)系尚未完全明晰，多數(shù)研究集中在特定工況下的分析，缺乏對不同環(huán)境條件和游動任務(wù)下的系統(tǒng)性研究。在魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，雖然提出了多種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際應(yīng)用中，這些結(jié)構(gòu)往往面臨著制造工藝復(fù)雜、成本高昂以及可靠性不足等問題。目前的研究在多學(xué)科交叉融合方面還不夠深入，未能充分整合材料科學(xué)、機(jī)械工程、控制理論和生物力學(xué)等多學(xué)科的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)仿生魚性能的全面提升。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入揭示仿生魚魚體剛度對能效的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以提升仿生魚的性能，為水下航行器的設(shè)計(jì)提供更具價值的參考。具體研究內(nèi)容如下：魚體剛度與能效關(guān)系的理論研究：通過對不同種類生物魚的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，深入探究魚體剛度的構(gòu)成要素和變化規(guī)律。綜合運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)等多學(xué)科知識，建立全面且精確的魚體剛度與能效關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。考慮魚體在不同游動狀態(tài)（如勻速游動、加速游動、轉(zhuǎn)向等）下的受力情況，以及水流速度、水溫等環(huán)境因素對魚體剛度和能效的影響，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正和完善，以提高模型的準(zhǔn)確性和適用性。魚體剛度對能效影響的仿真分析：利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，如ANSYS、ADINA等，建立高精度的仿生魚三維模型。對模型賦予不同的剛度參數(shù)，并設(shè)置多種典型的游動工況，包括不同的游動速度、加速度和水流條件等。通過數(shù)值模擬，獲取魚體在不同工況下的運(yùn)動參數(shù)（如速度、位移、加速度）和能量消耗數(shù)據(jù)，深入分析魚體剛度與能效之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究魚體剛度的變化對魚體水動力性能的影響，包括阻力、升力和推力的變化，揭示魚體剛度影響能效的物理機(jī)制。魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：基于魚體剛度與能效關(guān)系的研究成果，確定魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)和約束條件。以提高能效、增強(qiáng)機(jī)動性和降低成本為優(yōu)化目標(biāo)，同時考慮材料性能、加工工藝和實(shí)際應(yīng)用需求等約束條件。運(yùn)用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對魚體的形狀、尺寸、材料分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，尋找最優(yōu)的魚體結(jié)構(gòu)方案。對優(yōu)化后的魚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評估，包括能效、機(jī)動性、穩(wěn)定性等方面的評估，與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作具有可變剛度的仿生魚實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用先進(jìn)的材料和制造工藝，確保樣機(jī)的性能和可靠性。搭建實(shí)驗(yàn)平臺，包括水洞實(shí)驗(yàn)裝置、運(yùn)動測量系統(tǒng)和能量監(jiān)測系統(tǒng)等，用于測量仿生魚在不同剛度和游動工況下的運(yùn)動參數(shù)和能量消耗。開展實(shí)驗(yàn)研究，對理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步優(yōu)化魚體剛度與能效關(guān)系的模型，為魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究不同實(shí)驗(yàn)條件下（如不同水質(zhì)、水流速度和溫度）魚體剛度對能效的影響，探索魚體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。1.4研究方法與技術(shù)路線為了全面深入地開展仿生魚魚體剛度對能效的影響研究以及魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，本研究將綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究等多種方法，確保研究的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性。理論分析：從生物學(xué)角度，對多種具有代表性的生物魚進(jìn)行詳細(xì)的生理結(jié)構(gòu)剖析，包括肌肉、骨骼的分布與連接方式，以及它們在魚體游動過程中的協(xié)同作用，以此深入理解魚體剛度的形成機(jī)制和變化規(guī)律。運(yùn)用材料力學(xué)知識，分析魚體材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)對魚體剛度的影響，建立魚體材料特性與剛度之間的定量關(guān)系。基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，研究魚體的結(jié)構(gòu)形狀，如魚體的橫截面形狀、體長與體寬的比例等，以及這些結(jié)構(gòu)參數(shù)如何影響魚體在不同受力情況下的變形模式和剛度大小?？紤]魚體在水中游動時所受到的各種力，如重力、浮力、水動力等，運(yùn)用流體力學(xué)理論，建立魚體的受力模型，分析魚體剛度在不同水流條件下對魚體運(yùn)動性能和能量消耗的影響。通過建立數(shù)學(xué)模型，將上述多學(xué)科知識進(jìn)行整合，定量描述魚體剛度與能效之間的關(guān)系，為后續(xù)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。仿真模擬：借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，如ANSYS、ADINA等，依據(jù)生物魚的實(shí)際尺寸和形狀，構(gòu)建高精度的仿生魚三維模型。對模型賦予不同的材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以模擬不同剛度的魚體。設(shè)置豐富多樣的游動工況，包括不同的游動速度（如低速巡航、高速沖刺等）、加速度（勻加速、變加速等）和水流條件（靜水、不同流速的水流、紊流等），全面模擬仿生魚在各種實(shí)際場景下的運(yùn)動情況。通過數(shù)值模擬，精確獲取魚體在不同工況下的運(yùn)動參數(shù)，如速度、位移、加速度等，以及能量消耗數(shù)據(jù)。深入分析這些數(shù)據(jù)，探究魚體剛度與能效之間的內(nèi)在聯(lián)系，例如研究在不同剛度下，魚體實(shí)現(xiàn)相同位移或速度所需的能量變化規(guī)律，以及魚體剛度對水動力性能（如阻力、升力和推力）的影響機(jī)制，從而揭示魚體剛度影響能效的物理本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制造具有可變剛度的仿生魚實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在材料選擇上，選用性能優(yōu)良、符合研究需求的材料，如具有良好柔韌性和強(qiáng)度的硅膠、碳纖維復(fù)合材料等，同時采用先進(jìn)的制造工藝，如3D打印技術(shù)、注塑成型等，確保樣機(jī)的結(jié)構(gòu)精度和性能可靠性。搭建完善的實(shí)驗(yàn)平臺，包括水洞實(shí)驗(yàn)裝置，用于提供穩(wěn)定可控的水流環(huán)境；運(yùn)動測量系統(tǒng)，如高速攝像機(jī)、激光位移傳感器等，用于精確測量仿生魚在水中的運(yùn)動姿態(tài)和位移；能量監(jiān)測系統(tǒng)，如功率傳感器、電池電量監(jiān)測儀等，用于實(shí)時監(jiān)測仿生魚的能量消耗情況。開展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，如不同的水質(zhì)（淡水、海水等）、水流速度和溫度，對仿生魚進(jìn)行測試，獲取其在不同剛度和游動工況下的運(yùn)動參數(shù)和能量消耗數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化和完善魚體剛度與能效關(guān)系的模型，為魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。技術(shù)路線流程如下：首先，進(jìn)行生物魚生理結(jié)構(gòu)分析，收集不同種類生物魚的生理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，包括肌肉、骨骼的分布和力學(xué)性能等，為后續(xù)研究提供生物原型參考。接著，開展理論建模工作，基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)等知識，建立魚體剛度與能效關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行求解和分析，初步探究魚體剛度對能效的影響規(guī)律。然后，利用CAE軟件進(jìn)行仿真分析，對不同剛度的仿生魚模型進(jìn)行模擬，得到魚體在各種工況下的運(yùn)動和能量消耗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步深入研究魚體剛度與能效的關(guān)系，并根據(jù)仿真結(jié)果提出魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初步方案。在實(shí)驗(yàn)研究階段，制作仿生魚實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行調(diào)整和完善。最后，綜合理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，確定最優(yōu)的魚體結(jié)構(gòu)方案，并對該方案的性能進(jìn)行全面評估，撰寫研究報(bào)告，總結(jié)研究成果，為仿生魚的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、仿生魚魚體結(jié)構(gòu)與剛度模型2.1生物魚生理結(jié)構(gòu)分析生物魚的生理結(jié)構(gòu)是其實(shí)現(xiàn)高效游動的基礎(chǔ)，而魚體剛度在這一過程中起著關(guān)鍵作用，它與生物魚的肌肉、骨骼等結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。魚類的肌肉系統(tǒng)是其運(yùn)動的動力來源，對魚體剛度有著重要影響。魚類的肌肉主要由橫紋肌組成，可分為軸上肌和軸下肌。軸上肌位于脊柱上方，軸下肌位于脊柱下方，它們通過肌腱與骨骼相連，協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)魚體的彎曲和擺動。以金槍魚為例，其肌肉具有高度的分化和專業(yè)化。金槍魚擁有大量的紅色肌肉，這些肌肉富含肌紅蛋白，能夠儲存氧氣，為長時間的高速游動提供持續(xù)的能量支持。紅色肌肉主要分布在魚體的深層，靠近脊柱，它們的收縮能夠產(chǎn)生較大的力量，使魚體保持穩(wěn)定的姿態(tài)和前進(jìn)的動力。同時，金槍魚還具有白色肌肉，白色肌肉主要分布在魚體的淺層，靠近體表，它們的收縮速度快，能夠產(chǎn)生爆發(fā)力，使金槍魚在需要加速或捕食時迅速做出反應(yīng)。在金槍魚高速游動時，紅色肌肉持續(xù)工作，維持魚體的基本運(yùn)動，而白色肌肉則根據(jù)需要間歇性地發(fā)揮作用，提供額外的動力。這種肌肉分布和協(xié)作方式，使得金槍魚在不同的游動狀態(tài)下都能有效地調(diào)整魚體剛度，以適應(yīng)不同的水流環(huán)境和游動需求。鰻魚的肌肉結(jié)構(gòu)則與金槍魚有所不同，其肌肉相對較為均勻地分布在魚體周圍，且肌肉纖維較長，具有較好的柔韌性。鰻魚在游動時，通過肌肉的連續(xù)收縮和舒張，使魚體呈現(xiàn)出蛇形的擺動，這種運(yùn)動方式需要較低的魚體剛度來保證其靈活性。當(dāng)鰻魚在狹窄的水域中穿梭或躲避障礙物時，其柔軟的肌肉和較低的魚體剛度使其能夠輕松地改變身體形狀和運(yùn)動方向，展現(xiàn)出極高的靈活性。魚類的骨骼系統(tǒng)是支撐魚體結(jié)構(gòu)和維持魚體剛度的重要組成部分。魚類的骨骼可分為中軸骨骼和附肢骨骼。中軸骨骼包括頭骨、脊柱和肋骨，附肢骨骼包括胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭和尾鰭的骨骼。以鱸魚為例，其脊柱由一系列的脊椎骨組成，脊椎骨之間通過關(guān)節(jié)連接，具有一定的活動度。鱸魚的脊椎骨結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，能夠承受魚體在游動過程中產(chǎn)生的各種力，為魚體提供穩(wěn)定的支撐。同時，脊椎骨上還附著有肌肉和韌帶，這些結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了魚體的剛度和穩(wěn)定性。鱸魚的肋骨與脊椎骨相連，能夠保護(hù)內(nèi)臟器官，并在一定程度上參與魚體的運(yùn)動。在鱸魚快速游動時，肋骨能夠協(xié)助肌肉進(jìn)行力量的傳遞，使魚體的運(yùn)動更加協(xié)調(diào)和高效。而對于一些軟骨魚類，如鯊魚，其骨骼主要由軟骨組成，軟骨具有較好的彈性和柔韌性。鯊魚的軟骨骨骼使得其魚體在保持一定剛度的同時，又具有較高的靈活性。鯊魚在捕食時，能夠迅速地彎曲身體，以捕捉獵物，這得益于其軟骨骨骼所賦予的良好柔韌性。軟骨還能夠減輕魚體的重量，降低能量消耗，使鯊魚在水中能夠更加輕松地游動。在魚類的游動過程中，肌肉和骨骼相互協(xié)作，共同影響著魚體剛度。當(dāng)肌肉收縮時，會對骨骼施加力，使魚體發(fā)生彎曲或擺動，從而改變魚體的形狀和剛度。而骨骼則為肌肉提供附著點(diǎn)和支撐，保證肌肉的收縮能夠有效地轉(zhuǎn)化為魚體的運(yùn)動。這種肌肉與骨骼的協(xié)同作用，使得魚類能夠根據(jù)不同的游動需求，靈活地調(diào)整魚體剛度，實(shí)現(xiàn)高效的游動。當(dāng)魚類需要快速加速時，肌肉會迅速收縮，增加對骨骼的作用力，使魚體剛度增大，從而提高推進(jìn)效率；當(dāng)魚類需要進(jìn)行靈活的轉(zhuǎn)向時，肌肉會有選擇性地收縮，改變魚體各部分的剛度分布，使魚體能夠順利地完成轉(zhuǎn)向動作。2.2魚體剛度模型對比與選擇在仿生魚的研究中，建立準(zhǔn)確的魚體剛度模型是深入探究魚體剛度對能效影響的關(guān)鍵。目前，常用的魚體剛度模型主要有連續(xù)體魚體剛度模型和串并聯(lián)魚體剛度模型，這兩種模型在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力學(xué)特性以及對魚體運(yùn)動的模擬能力等方面存在顯著差異。連續(xù)體魚體剛度模型將魚體視為一個連續(xù)的彈性體，其剛度分布被假定為均勻或按照某種連續(xù)的規(guī)律變化。這種模型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為直觀地描述魚體在宏觀層面上的整體變形行為，在分析魚體受到的水動力以及魚體的整體運(yùn)動穩(wěn)定性時具有一定的優(yōu)勢。在研究魚體在均勻水流中的勻速游動時，連續(xù)體模型可以通過彈性力學(xué)的理論，較為方便地計(jì)算魚體的變形和應(yīng)力分布，從而分析魚體的能量消耗情況。但連續(xù)體模型也存在明顯的局限性，它難以精確地描述魚體內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和肌肉骨骼系統(tǒng)的協(xié)同作用。由于魚體內(nèi)部的肌肉、骨骼等結(jié)構(gòu)并非均勻分布，且在運(yùn)動過程中它們之間的相互作用十分復(fù)雜，連續(xù)體模型在處理這些細(xì)節(jié)時往往力不從心，導(dǎo)致對魚體剛度的模擬與實(shí)際情況存在較大偏差。在模擬魚體的快速轉(zhuǎn)向或加速運(yùn)動時，連續(xù)體模型無法準(zhǔn)確反映肌肉和骨骼在這些動態(tài)過程中的具體作用機(jī)制，從而影響對魚體運(yùn)動性能和能效的準(zhǔn)確評估。串并聯(lián)魚體剛度模型則充分考慮了魚體的生物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將魚體看作是由多個關(guān)節(jié)和連桿組成的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。這種模型能夠更加真實(shí)地模擬魚體的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，通過對各個關(guān)節(jié)和連桿的力學(xué)分析，可以精確地計(jì)算魚體的剛度和運(yùn)動參數(shù)。在該模型中，每個關(guān)節(jié)的剛度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，這與生物魚在游動過程中通過肌肉收縮和舒張來改變身體各部分剛度的實(shí)際情況相符合。通過對關(guān)節(jié)剛度的調(diào)整，可以模擬不同種類魚類的剛度特性，以及同一種魚類在不同游動狀態(tài)下的剛度變化。串并聯(lián)模型在處理魚體的局部變形和關(guān)節(jié)運(yùn)動時具有明顯的優(yōu)勢，能夠更好地揭示魚體剛度與運(yùn)動性能之間的關(guān)系。在研究魚體的擺動推進(jìn)過程中，串并聯(lián)模型可以準(zhǔn)確地分析每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡和受力情況，從而深入探究魚體剛度對推進(jìn)效率的影響機(jī)制。綜合對比連續(xù)體魚體剛度模型和串并聯(lián)魚體剛度模型，本研究選擇串并聯(lián)魚體剛度模型作為研究魚體剛度對能效影響的基礎(chǔ)模型。這主要是因?yàn)榇⒙?lián)模型能夠更準(zhǔn)確地反映生物魚的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性，其對魚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和肌肉骨骼系統(tǒng)協(xié)同作用的模擬更加符合實(shí)際情況，為后續(xù)深入研究魚體剛度與能效之間的關(guān)系提供了更可靠的基礎(chǔ)。2.3串并聯(lián)魚體剛度模型分析在確定采用串并聯(lián)魚體剛度模型后，對其進(jìn)行深入的分析是揭示魚體剛度與能效關(guān)系的關(guān)鍵步驟。本部分將從剛度分析和固有頻率求解兩個方面展開，建立魚體剛度與機(jī)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。從剛度分析角度來看，串并聯(lián)魚體剛度模型可看作是由多個基本單元組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。每個基本單元包含關(guān)節(jié)和連桿，關(guān)節(jié)的剛度特性以及連桿的力學(xué)性能共同決定了整個模型的剛度。以三關(guān)節(jié)機(jī)器魚的串并聯(lián)模型為例，假設(shè)每個關(guān)節(jié)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和彈性元件組成，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)提供轉(zhuǎn)動自由度，彈性元件則賦予關(guān)節(jié)一定的剛度。當(dāng)魚體受到外力作用時，外力會通過連桿傳遞到各個關(guān)節(jié)，引起關(guān)節(jié)的變形。根據(jù)胡克定律，關(guān)節(jié)的變形量與所受外力成正比，與關(guān)節(jié)的剛度成反比。設(shè)第i個關(guān)節(jié)所受外力為F_i，關(guān)節(jié)的剛度為k_i，關(guān)節(jié)的變形量為\theta_i，則有F_i=k_i\theta_i。對于整個魚體模型，其總剛度K可通過對各個關(guān)節(jié)剛度的綜合計(jì)算得到。由于魚體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通常采用矩陣方法來描述魚體的受力和變形關(guān)系。建立魚體的剛度矩陣K_{matrix}，其中元素K_{ij}表示第i個關(guān)節(jié)與第j個關(guān)節(jié)之間的剛度耦合關(guān)系。當(dāng)魚體受到外力向量F=[F_1,F_2,\cdots,F_n]^T作用時，魚體的變形向量\theta=[\theta_1,\theta_2,\cdots,\theta_n]^T可通過求解方程K_{matrix}\theta=F得到。在固有頻率求解方面，固有頻率是魚體結(jié)構(gòu)的重要動態(tài)特性參數(shù)，它反映了魚體在無外力作用下的振動特性。對于串并聯(lián)魚體剛度模型，其固有頻率與魚體的質(zhì)量分布、剛度以及結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。采用拉格朗日方程來建立魚體的動力學(xué)模型，拉格朗日方程為L=T-V，其中L為拉格朗日函數(shù)，T為系統(tǒng)的動能，V為系統(tǒng)的勢能。對于串并聯(lián)魚體模型，系統(tǒng)的動能T可表示為各個關(guān)節(jié)的動能之和，即T=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{n}m_iv_i^2，其中m_i為第i個關(guān)節(jié)的等效質(zhì)量，v_i為第i個關(guān)節(jié)的速度。系統(tǒng)的勢能V主要由彈性元件的彈性勢能組成，即V=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^{n}k_i\theta_i^2。將T和V代入拉格朗日方程，并對其進(jìn)行變分運(yùn)算，可得到魚體的動力學(xué)方程。設(shè)魚體的廣義坐標(biāo)為q=[q_1,q_2,\cdots,q_n]^T，則動力學(xué)方程可表示為\fracz1111hd{dt}(\frac{\partialL}{\partial\dot{q}})-\frac{\partialL}{\partialq}=Q，其中\(zhòng)dot{q}為廣義速度，Q為廣義力。在無外力作用下，Q=0，此時動力學(xué)方程變?yōu)辇R次方程。對該齊次方程進(jìn)行求解，可得到魚體的固有頻率\omega。通過求解特征方程\det(K-\omega^2M)=0，其中K為剛度矩陣，M為質(zhì)量矩陣，可得到魚體的固有頻率\omega的值。通過上述剛度分析和固有頻率求解，建立了魚體剛度與機(jī)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型表明，魚體剛度與關(guān)節(jié)剛度、連桿長度、質(zhì)量分布等機(jī)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。關(guān)節(jié)剛度越大，魚體剛度越大；連桿長度的變化會影響魚體的剛度分布和固有頻率；質(zhì)量分布的改變會對魚體的動能和勢能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響魚體的固有頻率和剛度。通過對這些關(guān)系的深入研究，可以為魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)提高魚體能效的目標(biāo)。三、仿生魚水動力與能效分析3.1仿生魚水動力分析仿生魚在水中運(yùn)動時，受到多種水動力的作用，這些力對其運(yùn)動性能和能效有著至關(guān)重要的影響。深入分析仿生魚所受水動力，并建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，是研究仿生魚運(yùn)動特性和優(yōu)化其性能的關(guān)鍵。仿生魚在水中運(yùn)動時，受到的主要水動力包括阻力、升力和推力。阻力是阻礙仿生魚前進(jìn)的力，它主要由摩擦阻力、壓差阻力和興波阻力組成。摩擦阻力是由于仿生魚體表與水之間的摩擦力產(chǎn)生的，其大小與仿生魚的表面積、表面粗糙度以及水流速度有關(guān)；壓差阻力是由于仿生魚前后壓力差引起的，它與仿生魚的形狀和運(yùn)動速度密切相關(guān)；興波阻力則是仿生魚在水面附近運(yùn)動時，由于水面波動而產(chǎn)生的阻力。以常見的梭形仿生魚為例，其體表較為光滑，摩擦阻力相對較小。當(dāng)它以一定速度在水中游動時，由于魚體前端受到的水壓較大，后端水壓較小，從而產(chǎn)生壓差阻力。如果仿生魚在水面附近快速游動，會激起較大的水波，此時興波阻力就會顯著增加。升力是使仿生魚在垂直方向上產(chǎn)生運(yùn)動的力，它主要由魚體的形狀和運(yùn)動姿態(tài)決定。當(dāng)仿生魚的魚體形狀具有一定的攻角時，水流會在魚體上下表面產(chǎn)生壓力差，從而形成升力。當(dāng)仿生魚的尾鰭向上或向下擺動時，會改變水流的方向，進(jìn)而產(chǎn)生垂直方向的分力，這個分力也會對升力產(chǎn)生影響。一些具有特殊形狀的仿生魚，如背鰭較高的仿生魚，在游動時背鰭也會對升力的產(chǎn)生起到一定的作用。推力是推動仿生魚前進(jìn)的力，它主要由仿生魚的推進(jìn)器產(chǎn)生，如尾鰭的擺動、胸鰭的劃動等。以尾鰭擺動產(chǎn)生推力為例，尾鰭在擺動過程中，會對水施加一個向后的作用力，根據(jù)牛頓第三定律，水會對尾鰭產(chǎn)生一個向前的反作用力，這個反作用力就是推力。尾鰭的形狀、擺動頻率、擺動幅度以及擺動角度等參數(shù)都會影響推力的大小。尾鰭的展弦比越大，在相同的擺動條件下，產(chǎn)生的推力可能越大；擺動頻率和幅度的增加，也會使推力增大。為了建立仿生魚水動力的數(shù)學(xué)模型，我們采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法。CFD方法是一種基于數(shù)值計(jì)算的方法，它通過求解流體力學(xué)的基本方程，如Navier-Stokes方程，來模擬仿生魚在水中的流場和受力情況。在建立模型時，首先需要對仿生魚的幾何形狀進(jìn)行精確建模，包括魚體的形狀、鰭的形狀和尺寸等。然后，對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將計(jì)算域離散成許多小的網(wǎng)格單元。接著，設(shè)置邊界條件，如入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。在入口邊界條件中，指定水流的速度和方向；在出口邊界條件中，設(shè)置壓力為常數(shù)；在壁面邊界條件中，假設(shè)壁面無滑移。通過求解Navier-Stokes方程，得到計(jì)算域內(nèi)的流速、壓力等物理量的分布，進(jìn)而計(jì)算出仿生魚所受的水動力。設(shè)仿生魚在水中的運(yùn)動速度為v，魚體長度為L，水的密度為\rho，則根據(jù)流體力學(xué)理論，仿生魚所受的阻力F_d可以表示為：F_d=\frac{1}{2}\rhov^2C_dA其中，C_d是阻力系數(shù)，它與仿生魚的形狀、表面粗糙度以及雷諾數(shù)等因素有關(guān)；A是仿生魚的特征面積，通常取魚體的投影面積。升力F_l可以表示為：F_l=\frac{1}{2}\rhov^2C_lA其中，C_l是升力系數(shù)，它與魚體的攻角、形狀等因素有關(guān)。推力F_t可以通過對尾鰭或其他推進(jìn)器的動力學(xué)分析來計(jì)算。以尾鰭擺動為例，假設(shè)尾鰭的擺動可以用正弦函數(shù)來描述，擺動頻率為f，擺動幅度為A_0，則尾鰭對水的作用力F_{t0}可以表示為：F_{t0}=\rhoA_0f^2\sin(2\pift)根據(jù)牛頓第三定律，水對尾鰭的反作用力，即推力F_t，與F_{t0}大小相等，方向相反。通過上述數(shù)學(xué)模型，可以定量地分析仿生魚在不同運(yùn)動狀態(tài)下所受的水動力，為進(jìn)一步研究仿生魚的能效和運(yùn)動性能提供了基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過實(shí)驗(yàn)測量等方法對模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2基于拉格朗日方程的動力學(xué)模型建立為了深入探究仿生魚的運(yùn)動特性，準(zhǔn)確描述其在水中的動力學(xué)行為，我們借助拉格朗日方程來構(gòu)建仿生魚的理論動力學(xué)模型。拉格朗日方程作為分析力學(xué)中的重要工具，能夠從能量的角度出發(fā)，簡潔而有效地描述系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律，為研究仿生魚的動力學(xué)特性提供了有力的手段。拉格朗日方程的基本形式為：\fraclppnthv{dt}\left(\frac{\partialL}{\partial\dot{q}_i}\right)-\frac{\partialL}{\partialq_i}=Q_i其中，L=T-V為拉格朗日函數(shù)，T表示系統(tǒng)的動能，V表示系統(tǒng)的勢能，q_i是廣義坐標(biāo)，\dot{q}_i是廣義速度，Q_i是對應(yīng)于廣義坐標(biāo)q_i的廣義力。對于仿生魚系統(tǒng)，其動能T主要包括魚體的平動動能和轉(zhuǎn)動動能。假設(shè)仿生魚的質(zhì)量為m，質(zhì)心速度為\vec{v}，則平動動能T_{trans}=\frac{1}{2}m\vec{v}^2。考慮到魚體由多個關(guān)節(jié)和連桿組成，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動也會貢獻(xiàn)動能。設(shè)第j個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量為I_j，角速度為\omega_j，則轉(zhuǎn)動動能T_{rot}=\frac{1}{2}\sum_{j=1}^{n}I_j\omega_j^2，其中n為關(guān)節(jié)的數(shù)量。因此，仿生魚系統(tǒng)的總動能T=T_{trans}+T_{rot}=\frac{1}{2}m\vec{v}^2+\frac{1}{2}\sum_{j=1}^{n}I_j\omega_j^2。在勢能方面，仿生魚的勢能主要來源于其彈性元件和重力。假設(shè)魚體的彈性元件（如彈簧等）的彈性勢能為V_{elastic}，重力勢能為V_{gravity}。對于彈性勢能，根據(jù)胡克定律，設(shè)彈性元件的彈性系數(shù)為k_{elastic}，變形量為x，則V_{elastic}=\frac{1}{2}k_{elastic}x^2。重力勢能V_{gravity}=mgh，其中h為魚體質(zhì)心相對于某一參考平面的高度。廣義力Q_i包含了作用在仿生魚上的各種外力，如前面分析的水動力（阻力F_d、升力F_l、推力F_t）、控制輸入力（如電機(jī)提供的驅(qū)動力矩）以及其他可能的外力。在實(shí)際應(yīng)用中，這些力通常是廣義坐標(biāo)q_i和廣義速度\dot{q}_i的函數(shù)。例如，水動力中的阻力F_d與仿生魚的運(yùn)動速度\vec{v}相關(guān)，升力F_l與魚體的攻角和運(yùn)動姿態(tài)有關(guān)，推力F_t則與尾鰭或其他推進(jìn)器的運(yùn)動參數(shù)相關(guān)。將上述動能、勢能和廣義力代入拉格朗日方程，即可得到仿生魚的動力學(xué)方程。這些方程描述了仿生魚在各種外力作用下的運(yùn)動狀態(tài)，包括魚體的位置、速度、加速度以及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況。通過求解這些動力學(xué)方程，我們可以深入分析仿生魚的運(yùn)動特性，如速度、加速度的變化規(guī)律，以及在不同工況下的能量消耗情況。在研究仿生魚的加速過程時，通過動力學(xué)方程可以計(jì)算出在給定推力和水動力條件下，魚體速度隨時間的變化關(guān)系，從而評估魚體的加速性能和能量消耗效率?；诶窭嗜辗匠探⒌膭恿W(xué)模型，不僅為研究仿生魚的運(yùn)動性能提供了理論基礎(chǔ)，還為后續(xù)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的依據(jù)。通過對動力學(xué)模型的分析和優(yōu)化，可以進(jìn)一步深入理解魚體剛度對能效的影響機(jī)制，為仿生魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略的優(yōu)化提供有力的支持。3.3魚體剛度與驅(qū)動力矩關(guān)系研究在仿生魚的運(yùn)動過程中，魚體剛度與驅(qū)動力矩之間存在著緊密而復(fù)雜的聯(lián)系，深入探究這種關(guān)系對于理解仿生魚的運(yùn)動機(jī)理以及優(yōu)化其能效具有至關(guān)重要的意義。從生物學(xué)角度來看，生物魚在游動時，通過肌肉的收縮和舒張來產(chǎn)生驅(qū)動力矩，從而實(shí)現(xiàn)身體的擺動和推進(jìn)。而魚體的剛度會影響肌肉力的傳遞和轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而影響驅(qū)動力矩的大小和方向。當(dāng)魚體剛度較高時，肌肉收縮產(chǎn)生的力能夠更有效地傳遞到魚體的各個部位，使得魚體在擺動時能夠保持較為穩(wěn)定的形狀和姿態(tài)，有利于產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩。鯊魚在快速游動時，其相對較高的魚體剛度使得肌肉力量能夠高效地轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，從而實(shí)現(xiàn)快速的游動。相反，當(dāng)魚體剛度較低時，肌肉力在傳遞過程中會有較大的損耗，導(dǎo)致驅(qū)動力矩減小，魚體的運(yùn)動效率也會隨之降低。鰻魚在緩慢游動時，其柔軟的身體剛度雖然使其具有較高的靈活性，但在產(chǎn)生驅(qū)動力矩方面相對較弱，游動速度也相對較慢。為了更深入地研究魚體剛度與驅(qū)動力矩之間的定量關(guān)系，我們基于之前建立的串并聯(lián)魚體剛度模型和動力學(xué)模型進(jìn)行分析。在串并聯(lián)模型中，魚體由多個關(guān)節(jié)和連桿組成，每個關(guān)節(jié)的剛度和運(yùn)動狀態(tài)都會對整個魚體的受力和運(yùn)動產(chǎn)生影響。設(shè)第i個關(guān)節(jié)的剛度為k_i，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為\theta_i，關(guān)節(jié)所受到的驅(qū)動力矩為T_i。根據(jù)力學(xué)原理，驅(qū)動力矩T_i與關(guān)節(jié)剛度k_i和轉(zhuǎn)角\theta_i之間存在如下關(guān)系：T_i=k_i\theta_i+b_i\dot{\theta}_i+c_i\ddot{\theta}_i其中，b_i為關(guān)節(jié)的阻尼系數(shù)，反映了關(guān)節(jié)運(yùn)動時的能量損耗；c_i為關(guān)節(jié)的慣性系數(shù)，與關(guān)節(jié)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)；\dot{\theta}_i和\ddot{\theta}_i分別為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的一階導(dǎo)數(shù)（角速度）和二階導(dǎo)數(shù)（角加速度）。這個公式表明，驅(qū)動力矩不僅與關(guān)節(jié)剛度和轉(zhuǎn)角有關(guān)，還與關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度和加速度相關(guān)。當(dāng)魚體剛度k_i增大時，在相同的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角\theta_i下，所需的驅(qū)動力矩T_i也會增大。這是因?yàn)檩^高的剛度意味著魚體更難發(fā)生變形，需要更大的力矩來驅(qū)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。如果關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度\dot{\theta}_i或加速度\ddot{\theta}_i增加，由于阻尼和慣性的作用，驅(qū)動力矩T_i也會相應(yīng)增大。通過對魚體各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩進(jìn)行分析和疊加，可以得到整個魚體的總驅(qū)動力矩T_{total}。總驅(qū)動力矩T_{total}與魚體剛度、運(yùn)動狀態(tài)以及水動力等因素密切相關(guān)。在不同的游動工況下，如勻速游動、加速游動和轉(zhuǎn)向等，魚體的運(yùn)動狀態(tài)和所受水動力會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致魚體剛度與驅(qū)動力矩之間的關(guān)系也會有所不同。在勻速游動時，魚體的加速度為零，此時驅(qū)動力矩主要用于克服水動力和維持魚體的穩(wěn)定運(yùn)動，魚體剛度的變化對驅(qū)動力矩的影響相對較小。而在加速游動時，魚體需要產(chǎn)生較大的加速度，此時魚體剛度的大小會顯著影響驅(qū)動力矩的需求。較高的魚體剛度可以使魚體在加速時更有效地傳遞肌肉力量，從而減小驅(qū)動力矩的需求；相反，較低的魚體剛度則需要更大的驅(qū)動力矩來實(shí)現(xiàn)加速。魚體剛度與驅(qū)動力矩之間的關(guān)系還受到水動力的影響。水動力會對魚體產(chǎn)生阻力、升力和推力等作用力，這些力會改變魚體的受力狀態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而影響魚體剛度與驅(qū)動力矩之間的關(guān)系。當(dāng)魚體在水中受到較大的阻力時，為了保持運(yùn)動速度，需要增大驅(qū)動力矩。此時，魚體剛度的大小會影響肌肉力的傳遞效率，進(jìn)而影響驅(qū)動力矩的大小。如果魚體剛度較高，肌肉力能夠更有效地克服阻力，所需的驅(qū)動力矩相對較小；反之，如果魚體剛度較低，肌肉力在傳遞過程中會有較大的損耗，需要更大的驅(qū)動力矩來克服阻力。綜上所述，魚體剛度與驅(qū)動力矩之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，這種關(guān)系受到魚體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動狀態(tài)以及水動力等多種因素的影響。深入研究這種關(guān)系，對于揭示仿生魚的運(yùn)動機(jī)理，優(yōu)化魚體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制策略，提高仿生魚的能效具有重要的理論和實(shí)際意義。通過建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和仿真分析，可以進(jìn)一步深入探究魚體剛度與驅(qū)動力矩之間的內(nèi)在聯(lián)系，為仿生魚的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。3.4魚體能效方程建立在深入研究仿生魚水動力和動力學(xué)的基礎(chǔ)上，建立魚體能效方程對于準(zhǔn)確評估仿生魚的能量利用效率至關(guān)重要。能效方程能夠定量地描述魚體在運(yùn)動過程中的能量消耗與運(yùn)動性能之間的關(guān)系，為優(yōu)化魚體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制策略提供關(guān)鍵的理論依據(jù)。根據(jù)之前建立的水動力模型和基于拉格朗日方程的動力學(xué)模型，我們可以推導(dǎo)魚體能效方程。魚體在水中運(yùn)動時，其能量消耗主要用于克服水動力以及驅(qū)動魚體的運(yùn)動。設(shè)魚體在時間t內(nèi)的能量消耗為E，根據(jù)能量守恒定律，能量消耗等于魚體所受外力做功的總和。魚體所受的外力主要包括水動力（阻力F_d、升力F_l、推力F_t）以及其他可能的外力。在一個運(yùn)動周期T內(nèi)，魚體克服水動力所做的功可以表示為：W_{hydro}=\int_{0}^{T}(F_d\cdotv+F_l\cdotv_{vertical}+F_t\cdotv)dt其中，v是魚體的前進(jìn)速度，v_{vertical}是魚體在垂直方向上的速度分量。魚體驅(qū)動系統(tǒng)（如電機(jī)等）所做的功為W_{drive}，它與驅(qū)動力矩T_{total}和關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度\theta有關(guān)。在一個運(yùn)動周期內(nèi)，W_{drive}=\int_{0}^{T}T_{total}\cdot\dot{\theta}dt，其中\(zhòng)dot{\theta}是關(guān)節(jié)的角速度。魚體的能效\eta定義為魚體在運(yùn)動過程中有用功與總能量消耗的比值。有用功主要是指魚體克服水阻力前進(jìn)所做的功，即W_{useful}=\int_{0}^{T}F_d\cdotvdt。因此，魚體的能效方程可以表示為：\eta=\frac{W_{useful}}{E}=\frac{\int_{0}^{T}F_d\cdotvdt}{\int_{0}^{T}(F_d\cdotv+F_l\cdotv_{vertical}+F_t\cdotv)dt+\int_{0}^{T}T_{total}\cdot\dot{\theta}dt}這個能效方程綜合考慮了魚體所受的水動力、驅(qū)動力矩以及運(yùn)動參數(shù)等因素，全面地反映了魚體的能量利用效率。通過對能效方程的分析，可以深入研究魚體剛度、水動力、運(yùn)動參數(shù)等因素對能效的影響規(guī)律。當(dāng)魚體剛度發(fā)生變化時，會影響魚體的受力情況和運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而改變水動力和驅(qū)動力矩，最終影響能效。較高的魚體剛度可能會使魚體在運(yùn)動時受到的阻力減小，但同時可能需要更大的驅(qū)動力矩來驅(qū)動魚體運(yùn)動，這兩者之間的平衡關(guān)系會對能效產(chǎn)生顯著影響。為了進(jìn)一步深入理解魚體能效方程，我們可以對其進(jìn)行無量綱化處理。引入特征長度L、特征速度V和特征時間T_0，將方程中的各個物理量進(jìn)行無量綱化。設(shè)無量綱速度u=\frac{v}{V}，無量綱時間\tau=\frac{t}{T_0}，無量綱力F^*=\frac{F}{\rhoV^2L^2}，無量綱力矩T^*=\frac{T}{\rhoV^2L^3}，則能效方程可以轉(zhuǎn)化為無量綱形式：\eta^*=\frac{\int_{0}^{1}F_d^*\cdotud\tau}{\int_{0}^{1}(F_d^*\cdotu+F_l^*\cdotu_{vertical}+F_t^*\cdotu)d\tau+\int_{0}^{1}T_{total}^*\cdot\dot{\theta}^*d\tau}無量綱化后的能效方程更便于分析和比較不同條件下魚體的能效特性，能夠突出各物理量之間的相對關(guān)系，有助于揭示魚體剛度對能效影響的本質(zhì)規(guī)律。通過改變無量綱參數(shù)，如無量綱剛度、無量綱速度等，可以系統(tǒng)地研究這些參數(shù)對能效的影響，為魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更具針對性的指導(dǎo)。四、仿生魚魚體剛度對能效影響的仿真研究4.1Adams虛擬樣機(jī)建立為了深入研究仿生魚魚體剛度對能效的影響，我們采用Adams軟件建立仿生魚結(jié)構(gòu)模型的虛擬樣機(jī)。Adams軟件作為一款功能強(qiáng)大的多體動力學(xué)仿真軟件，能夠精確模擬機(jī)械系統(tǒng)在各種工況下的運(yùn)動和受力情況，為我們的研究提供了有力的工具。在創(chuàng)建虛擬樣機(jī)之前，首先要進(jìn)行一系列的前期準(zhǔn)備工作。確定仿生魚的結(jié)構(gòu)參數(shù)是至關(guān)重要的一步。通過對多種生物魚的形態(tài)學(xué)研究，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，獲取了仿生魚的體長、體寬、體高以及各部分的比例等關(guān)鍵尺寸信息。這些參數(shù)將直接影響仿生魚的外形和運(yùn)動性能，是建立準(zhǔn)確虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)。同時，根據(jù)之前建立的串并聯(lián)魚體剛度模型，確定了魚體各關(guān)節(jié)的位置、剛度以及轉(zhuǎn)動范圍等參數(shù)。這些關(guān)節(jié)參數(shù)對于模擬魚體的靈活運(yùn)動以及研究魚體剛度對運(yùn)動的影響起著關(guān)鍵作用。選擇合適的材料屬性也不容忽視?？紤]到仿生魚在水中的運(yùn)動環(huán)境，以及對其強(qiáng)度、柔韌性和耐腐蝕性的要求，選用了具有良好力學(xué)性能和耐水性能的材料，如硅膠用于魚體的柔性部分，鋁合金用于魚體的剛性支撐部分，并為這些材料賦予準(zhǔn)確的密度、彈性模量和泊松比等物理參數(shù)。準(zhǔn)確的材料屬性設(shè)置能夠確保虛擬樣機(jī)在仿真過程中真實(shí)地反映出仿生魚的力學(xué)行為。完成前期準(zhǔn)備后，便進(jìn)入Adams軟件開始建立虛擬樣機(jī)。利用Adams軟件豐富的建模工具，首先創(chuàng)建仿生魚的基本幾何模型。按照仿生魚的結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制魚體的主體部分，包括頭部、軀干部和尾部，確保各部分的形狀和尺寸與實(shí)際設(shè)計(jì)一致。在繪制過程中，充分利用軟件的圖形編輯功能，對模型進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使其更加逼真。利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作創(chuàng)建魚體的三維形狀，并通過布爾運(yùn)算對模型進(jìn)行修正和完善。接著添加魚體的關(guān)節(jié)和運(yùn)動副。根據(jù)串并聯(lián)魚體剛度模型，在相應(yīng)位置添加轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，模擬魚體各部分之間的相對轉(zhuǎn)動。這些關(guān)節(jié)的設(shè)置需要精確控制其位置和方向，以保證魚體在運(yùn)動過程中的準(zhǔn)確性和流暢性。為每個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)置合適的運(yùn)動范圍和約束條件，使其能夠按照實(shí)際情況進(jìn)行轉(zhuǎn)動。還需要添加一些輔助運(yùn)動副，如滑動副、球副等，以模擬魚體的其他運(yùn)動形式，如尾鰭的擺動、胸鰭的劃動等。在模型中定義魚體的質(zhì)量和慣性屬性也是關(guān)鍵步驟。根據(jù)所選材料的密度和幾何模型的體積，準(zhǔn)確計(jì)算魚體各部分的質(zhì)量，并合理分配質(zhì)量分布，以確保虛擬樣機(jī)的動力學(xué)特性與實(shí)際仿生魚相符。同時，計(jì)算魚體的慣性矩和慣性積，這些參數(shù)對于描述魚體在轉(zhuǎn)動過程中的慣性特性至關(guān)重要。通過準(zhǔn)確設(shè)置質(zhì)量和慣性屬性，能夠使虛擬樣機(jī)在仿真中更加真實(shí)地反映出仿生魚的動力學(xué)行為。為了使虛擬樣機(jī)更加接近實(shí)際情況，還需要添加水動力。利用Adams軟件提供的流體動力學(xué)模塊，根據(jù)之前建立的水動力數(shù)學(xué)模型，為仿生魚模型添加相應(yīng)的水動力載荷，包括阻力、升力和推力。在添加水動力時，需要準(zhǔn)確設(shè)置水流速度、方向以及水的密度等參數(shù)，以模擬不同的水流環(huán)境。根據(jù)仿生魚在不同運(yùn)動狀態(tài)下的姿態(tài)和速度，實(shí)時計(jì)算水動力的大小和方向，并將其施加到虛擬樣機(jī)上。這樣，在仿真過程中，虛擬樣機(jī)就能真實(shí)地感受到水動力的作用，從而更加準(zhǔn)確地模擬仿生魚在水中的運(yùn)動情況。通過以上步驟，成功建立了仿生魚結(jié)構(gòu)模型的虛擬樣機(jī)。這個虛擬樣機(jī)將作為后續(xù)仿真分析的基礎(chǔ)，通過對其進(jìn)行各種工況下的仿真，能夠深入研究魚體剛度對能效的影響，為仿生魚的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。4.2剛度仿真與模態(tài)分析完成Adams虛擬樣機(jī)的建立后，利用該軟件強(qiáng)大的分析功能，對虛擬樣機(jī)進(jìn)行剛度仿真和模態(tài)分析，以驗(yàn)證之前建立的剛度模型理論結(jié)果，深入探究仿生魚魚體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。在剛度仿真方面，通過在Adams中施加特定的外力載荷，模擬仿生魚在實(shí)際游動過程中所受到的各種力的作用。選擇合適的加載方式和加載位置至關(guān)重要，根據(jù)仿生魚的運(yùn)動特點(diǎn)和水動力分析結(jié)果，在魚體的關(guān)鍵部位，如頭部、軀干部和尾鰭等位置施加與實(shí)際情況相符的力。在魚體的頭部施加水流阻力，模擬仿生魚在游動時受到的迎面水流的阻礙作用；在尾鰭上施加推力，以模擬尾鰭擺動產(chǎn)生的推進(jìn)力。通過調(diào)整外力的大小和方向，模擬不同的游動工況，如勻速游動、加速游動和轉(zhuǎn)向等。在勻速游動工況下，施加大小恒定、方向與魚體運(yùn)動方向相反的阻力，以及與阻力相平衡的推力；在加速游動工況下，逐漸增大推力的大小，同時適當(dāng)調(diào)整阻力的大小，以模擬魚體加速的過程。在Adams軟件中，利用其內(nèi)置的求解器對施加外力后的虛擬樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到魚體在不同外力作用下的變形情況。通過分析這些變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出魚體的剛度值，并與之前建立的串并聯(lián)魚體剛度模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。如果仿真結(jié)果與理論結(jié)果相近，說明所建立的剛度模型能夠較為準(zhǔn)確地描述魚體的剛度特性；如果存在較大差異，則需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和修正，找出差異產(chǎn)生的原因，如模型假設(shè)是否合理、參數(shù)設(shè)置是否準(zhǔn)確等。在對比過程中，不僅要關(guān)注整體剛度的差異，還要分析魚體各部分剛度的分布情況，確保模型在各個細(xì)節(jié)上都能準(zhǔn)確反映魚體的實(shí)際剛度特性。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的重要方法，它可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，對于理解仿生魚魚體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性具有重要意義。在Adams中進(jìn)行模態(tài)分析時，首先需要設(shè)置分析參數(shù)，包括求解的模態(tài)階數(shù)、頻率范圍等。根據(jù)仿生魚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究需求，一般選擇求解前幾階模態(tài)，因?yàn)榍皫纂A模態(tài)通常對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)影響較大。設(shè)置頻率范圍時，要確保包含仿生魚在實(shí)際游動過程中可能出現(xiàn)的振動頻率。通過模態(tài)分析，得到仿生魚虛擬樣機(jī)的固有頻率和振型。固有頻率反映了魚體結(jié)構(gòu)在無外力作用下的振動特性，不同的固有頻率對應(yīng)著不同的振動模式。振型則描述了魚體在相應(yīng)固有頻率下的振動形態(tài)，它直觀地展示了魚體各部分在振動過程中的相對位移和變形情況。當(dāng)魚體以某一階固有頻率振動時，振型可以顯示出魚體哪些部位的振動幅度較大，哪些部位相對較小。通過分析固有頻率和振型，可以了解魚體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的振動問題，為魚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。如果某一階固有頻率與仿生魚在實(shí)際游動過程中可能遇到的激勵頻率相近，就容易引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致魚體的振動加劇，影響其運(yùn)動性能和能效。在這種情況下，需要通過調(diào)整魚體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如改變關(guān)節(jié)剛度、調(diào)整質(zhì)量分布等，來改變固有頻率，避免共振的發(fā)生。將模態(tài)分析結(jié)果與理論計(jì)算得到的固有頻率進(jìn)行對比驗(yàn)證，進(jìn)一步檢驗(yàn)剛度模型的準(zhǔn)確性。如果仿真得到的固有頻率與理論值相符，說明所建立的模型在描述魚體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性方面是可靠的；如果存在偏差，需要深入分析原因，對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。可能的原因包括模型的簡化假設(shè)、材料參數(shù)的不確定性以及計(jì)算方法的誤差等。通過不斷地對比和優(yōu)化，使模型能夠更加準(zhǔn)確地反映仿生魚魚體結(jié)構(gòu)的實(shí)際動態(tài)特性，為后續(xù)的研究和設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。4.3動力學(xué)仿真與結(jié)果分析在完成Adams虛擬樣機(jī)的建立以及剛度仿真和模態(tài)分析后，利用Adams軟件對仿生魚虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真，深入分析魚體剛度與能效之間的關(guān)系，為揭示仿生魚的運(yùn)動機(jī)理和優(yōu)化魚體結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)。在動力學(xué)仿真過程中，設(shè)置了多種典型的游動工況，以全面模擬仿生魚在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動情況。在不同游動速度工況下，分別設(shè)置仿生魚的前進(jìn)速度為0.5m/s、1.0m/s和1.5m/s，觀察魚體在不同速度下的運(yùn)動狀態(tài)和能量消耗情況。在0.5m/s的低速游動工況下，魚體的擺動相對較為緩慢，能量消耗主要用于克服水的阻力和維持魚體的基本運(yùn)動；隨著速度增加到1.0m/s和1.5m/s，魚體需要更大的驅(qū)動力來克服增加的阻力，能量消耗也相應(yīng)增加。設(shè)置不同的水流條件，如靜水、流速為0.2m/s的均勻水流和存在紊流的水流環(huán)境，研究水流對魚體運(yùn)動和能效的影響。在均勻水流中，魚體受到的水流力較為穩(wěn)定，其運(yùn)動和能量消耗具有一定的規(guī)律性；而在紊流環(huán)境中，水流的不規(guī)則性會導(dǎo)致魚體受到的力波動較大，魚體需要不斷調(diào)整自身的運(yùn)動姿態(tài)和驅(qū)動力，從而使能量消耗增加，運(yùn)動穩(wěn)定性也受到一定影響。通過動力學(xué)仿真，得到了豐富的結(jié)果數(shù)據(jù)。對魚體的運(yùn)動參數(shù)，如速度、加速度、位移等進(jìn)行了詳細(xì)分析。在不同魚體剛度和擺動頻率組合下，魚體的前進(jìn)速度呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。當(dāng)魚體剛度與擺動頻率相匹配時，魚體的前進(jìn)速度達(dá)到最大值，且運(yùn)動穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)樵谶@種情況下，魚體的擺動能夠更有效地轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的動力，減少了能量的損耗。當(dāng)魚體剛度較高時，在較低的擺動頻率下，魚體的前進(jìn)速度相對較低，這是由于較高的剛度使得魚體在擺動時需要更大的驅(qū)動力，而較低的擺動頻率無法提供足夠的能量來驅(qū)動魚體快速前進(jìn)；隨著擺動頻率的增加，魚體的前進(jìn)速度逐漸增大，但當(dāng)擺動頻率過高時，魚體的運(yùn)動穩(wěn)定性會下降，能量消耗也會急劇增加，導(dǎo)致能效降低。對魚體的能量消耗情況進(jìn)行了深入研究。分析了魚體在不同工況下的功率消耗曲線，以及能量消耗與魚體剛度、擺動頻率之間的關(guān)系。在相同的游動工況下，魚體剛度的變化對能量消耗有著顯著影響。當(dāng)魚體剛度較低時，魚體在擺動過程中容易發(fā)生較大的變形，導(dǎo)致能量在魚體的變形過程中損耗較多，從而使總能量消耗增加；而當(dāng)魚體剛度過高時，雖然魚體的變形減小，但為了驅(qū)動剛度較大的魚體運(yùn)動，需要更大的驅(qū)動力矩，這也會導(dǎo)致能量消耗的增加。只有當(dāng)魚體剛度處于一個合適的范圍內(nèi)，與擺動頻率相匹配時，魚體的能量消耗才能達(dá)到最小值，能效達(dá)到最高。通過對仿真結(jié)果的綜合分析，得出了重要結(jié)論。當(dāng)魚體擺動頻率與固有頻率匹配時，機(jī)器魚的能效最高，運(yùn)動性能最優(yōu)。這一結(jié)論與之前建立的理論模型和分析結(jié)果相一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論研究的正確性。魚體擺動頻率的增加會使魚體前進(jìn)速度逐步增大，但同時能效會降低。這是因?yàn)殡S著擺動頻率的增加，魚體需要克服更大的慣性和水動力阻力，導(dǎo)致能量消耗的增加速度超過了前進(jìn)速度的增加速度，從而使能效降低。這些結(jié)論為仿生魚的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了明確的指導(dǎo)方向，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整魚體的剛度和擺動頻率，使其達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，以提高仿生魚的能效和運(yùn)動性能。五、仿生魚魚體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)5.1現(xiàn)有剛度模型問題分析在仿生魚的研究進(jìn)程中，當(dāng)前所采用的剛度模型雖然為魚體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性的分析提供了重要的理論依據(jù)，但經(jīng)過深入研究和實(shí)踐驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其仍存在一些不容忽視的問題，這些問題限制了仿生魚性能的進(jìn)一步提升和實(shí)際應(yīng)用的拓展?，F(xiàn)有剛度模型在描述魚體剛度隨拉伸內(nèi)力變化的關(guān)系時，與實(shí)際生物魚的特性存在明顯偏差。許多傳統(tǒng)的剛度模型假設(shè)魚體剛度隨拉伸內(nèi)力的增加而減小，這與生物魚的實(shí)際情況背道而馳。生物魚在游動過程中，其肌肉內(nèi)力的增加會使魚體剛度相應(yīng)增加。當(dāng)金槍魚在高速游動時，肌肉的強(qiáng)烈收縮產(chǎn)生較大的內(nèi)力，使得魚體剛度增大，從而保證了魚體在高速運(yùn)動時的穩(wěn)定性和高效推進(jìn)。這種差異導(dǎo)致現(xiàn)有剛度模型在模擬生物魚的真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)時存在較大誤差，無法準(zhǔn)確反映魚體在不同受力情況下的實(shí)際剛度變化，進(jìn)而影響了對魚體運(yùn)動性能和能效的準(zhǔn)確評估。現(xiàn)有剛度模型在實(shí)現(xiàn)剛度的線上調(diào)節(jié)方面面臨諸多困難。在實(shí)際應(yīng)用中，仿生魚需要根據(jù)不同的游動環(huán)境和任務(wù)需求，實(shí)時調(diào)整魚體剛度，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)動性能和能效?，F(xiàn)有的剛度模型往往難以滿足這一要求，其調(diào)節(jié)機(jī)制較為復(fù)雜，且響應(yīng)速度較慢，無法在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對魚體剛度的精確調(diào)節(jié)。一些基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)節(jié)模型，需要通過復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置來改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，這種方式不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，還容易出現(xiàn)故障，降低了系統(tǒng)的可靠性。一些模型在調(diào)節(jié)剛度時，無法保持魚體的流線型外形，這會增加魚體在水中運(yùn)動時的阻力，降低運(yùn)動效率。現(xiàn)有剛度模型在多因素耦合作用下的分析能力不足。魚體在水中的運(yùn)動受到多種因素的綜合影響，包括水動力、魚體自身的運(yùn)動狀態(tài)、環(huán)境因素等。這些因素之間相互作用、相互影響，形成了復(fù)雜的耦合關(guān)系。現(xiàn)有的剛度模型往往只考慮了單一或少數(shù)幾個因素對魚體剛度的影響，而忽略了其他因素的作用，導(dǎo)致模型在多因素耦合情況下的分析結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。在不同的水流速度和溫度條件下，魚體所受的水動力會發(fā)生變化，這會對魚體剛度產(chǎn)生影響，同時魚體自身的運(yùn)動狀態(tài)也會相應(yīng)改變，而現(xiàn)有剛度模型很難全面、準(zhǔn)確地描述這些復(fù)雜的變化關(guān)系?，F(xiàn)有剛度模型在模型通用性和適應(yīng)性方面也存在一定的局限性。不同種類的生物魚具有獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，其魚體剛度特性也各不相同?，F(xiàn)有的剛度模型往往是針對某一類或特定的生物魚建立的，缺乏通用性和適應(yīng)性，難以推廣應(yīng)用到其他種類的仿生魚研究中。對于不同形狀和尺寸的仿生魚，現(xiàn)有的剛度模型可能無法準(zhǔn)確描述其剛度特性，需要重新進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和模型修正，這增加了研究的工作量和復(fù)雜性。在實(shí)際應(yīng)用中，仿生魚可能會面臨各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求，現(xiàn)有的剛度模型難以快速適應(yīng)這些變化，限制了仿生魚的應(yīng)用范圍和性能表現(xiàn)。綜上所述，現(xiàn)有剛度模型存在的這些問題嚴(yán)重制約了仿生魚的研究和發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)仿生魚性能的突破和實(shí)際應(yīng)用的拓展，迫切需要對現(xiàn)有剛度模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高模型的準(zhǔn)確性、靈活性和適應(yīng)性。5.2可調(diào)剛度單支腿剛度模型建立為了克服現(xiàn)有剛度模型的不足，實(shí)現(xiàn)對魚體剛度更精確的調(diào)節(jié)和控制，建立可調(diào)剛度的單支腿剛度模型是關(guān)鍵步驟。該模型的建立基于對生物魚運(yùn)動特性和力學(xué)原理的深入理解，旨在實(shí)現(xiàn)魚體剛度的靈活調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的游動工況和任務(wù)需求。從生物魚的運(yùn)動特性來看，不同種類的生物魚在游動時，其身體各部分的剛度調(diào)節(jié)方式存在差異。鰻魚在游動時，身體呈現(xiàn)出連續(xù)的彎曲變形，其剛度調(diào)節(jié)較為均勻地分布在整個身體；而金槍魚在高速游動時，主要通過尾柄和尾鰭部分的肌肉收縮來調(diào)節(jié)剛度，以實(shí)現(xiàn)高效的推進(jìn)。這些生物魚的運(yùn)動特性為可調(diào)剛度單支腿剛度模型的建立提供了重要的生物原型參考。在建立可調(diào)剛度單支腿剛度模型時，首先明確模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該模型采用了一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，通過引入可調(diào)節(jié)的彈性元件和控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對單支腿剛度的精確調(diào)節(jié)。在單支腿結(jié)構(gòu)中，使用了一種新型的智能材料制成的彈性元件，這種材料能夠根據(jù)外部信號（如電流、電壓等）改變自身的彈性模量，從而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。通過控制電路和傳感器系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測魚體的運(yùn)動狀態(tài)和受力情況，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，調(diào)節(jié)彈性元件的參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單支腿剛度的動態(tài)調(diào)節(jié)。當(dāng)仿生魚在高速游動時，傳感器檢測到魚體受到的水動力增大，此時控制電路會向彈性元件發(fā)送信號，使其彈性模量增大，從而提高單支腿的剛度，增強(qiáng)魚體的穩(wěn)定性和推進(jìn)效率；當(dāng)仿生魚需要進(jìn)行靈活的轉(zhuǎn)向時，控制電路會降低彈性元件的彈性模量，減小單支腿的剛度，使魚體能夠更輕松地改變運(yùn)動方向?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立可調(diào)剛度單支腿剛度模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。設(shè)單支腿的剛度為k，它是一個與彈性元件參數(shù)、控制信號以及魚體運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)的函數(shù)。假設(shè)彈性元件的彈性模量為E，橫截面積為A，長度為L，則根據(jù)材料力學(xué)理論，單支腿的剛度k可以表示為：k=\frac{EA}{L}其中，彈性模量E是一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，它與控制信號u之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，即E=f(u)?？刂菩盘杣可以是電流、電壓等物理量，通過調(diào)節(jié)控制信號u的大小，可以改變彈性模量E，從而實(shí)現(xiàn)對單支腿剛度k的調(diào)節(jié)。魚體的運(yùn)動狀態(tài)也會對單支腿剛度產(chǎn)生影響。當(dāng)魚體加速游動時，單支腿受到的慣性力增大，此時需要適當(dāng)提高單支腿的剛度，以保證魚體的穩(wěn)定性。設(shè)魚體的加速度為a，則單支腿剛度k與加速度a之間的關(guān)系可以表示為：k=k_0+\alphaa其中，k_0是魚體在靜止或勻速運(yùn)動時單支腿的初始剛度，\alpha是一個與魚體結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)的系數(shù)。綜合考慮彈性元件參數(shù)、控制信號以及魚體運(yùn)動狀態(tài)，可調(diào)剛度單支腿剛度模型的完整數(shù)學(xué)表達(dá)式為：k=\frac{f(u)A}{L}+\alphaa這個數(shù)學(xué)表達(dá)式全面地描述了可調(diào)剛度單支腿剛度模型的特性，為后續(xù)對模型的分析和優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。通過對這個表達(dá)式的分析，可以深入研究控制信號、彈性元件參數(shù)以及魚體運(yùn)動狀態(tài)等因素對單支腿剛度的影響規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對魚體剛度的精確調(diào)節(jié)和控制。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)仿生魚的具體任務(wù)需求和游動工況，通過調(diào)節(jié)控制信號u，實(shí)時調(diào)整單支腿的剛度，以提高仿生魚的運(yùn)動性能和能效。5.3主被動剛度解耦模型構(gòu)建在成功建立可調(diào)剛度單支腿剛度模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建主被動剛度解耦模型，這對于深入理解仿生魚魚體的力學(xué)特性以及實(shí)現(xiàn)更精確的運(yùn)動控制具有重要意義。主被動剛度解耦模型能夠?qū)Ⅳ~體的主動剛度調(diào)節(jié)和被動剛度特性分離開來，從而更清晰地分析和優(yōu)化魚體的剛度性能。從生物魚的運(yùn)動原理可知，魚類在游動過程中，既存在主動的肌肉收縮來調(diào)節(jié)剛度，也存在被動的結(jié)構(gòu)特性對剛度的影響。金槍魚在快速游動時，通過主動收縮肌肉來增加身體的剛度，以提高推進(jìn)效率；同時，其身體的骨骼和肌肉結(jié)構(gòu)本身也具有一定的被動剛度，為主動調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)?；诖耍鞅粍觿偠冉怦钅Ｐ椭荚谀M生物魚的這種特性，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)主被動剛度的有效解耦。主被動剛度解耦模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于可調(diào)剛度單支腿剛度模型，引入了額外的控制機(jī)構(gòu)和傳感器系統(tǒng)。在模型中，主動剛度調(diào)節(jié)部分主要由電機(jī)、傳動裝置和控制電路組成。電機(jī)通過傳動裝置與彈性元件相連，控制電路根據(jù)傳感器反饋的魚體運(yùn)動狀態(tài)和受力信息，實(shí)時調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出扭矩，從而改變彈性元件的彈性模量，實(shí)現(xiàn)主動剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)仿生魚需要加速游動時，傳感器檢測到魚體的加速度變化，控制電路立即向電機(jī)發(fā)送信號，使電機(jī)增加輸出扭矩，進(jìn)而增大彈性元件的彈性模量，提高魚體的主動剛度，增強(qiáng)推進(jìn)力。被動剛度部分則主要由魚體的結(jié)構(gòu)材料和幾何形狀決定。選用具有特定彈性性能的材料來制造魚體的主體結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)部件，使其在不同的受力情況下表現(xiàn)出相應(yīng)的被動剛度特性。采用高強(qiáng)度、低彈性模量的材料來制造魚體的支撐結(jié)構(gòu)，以提供一定的被動剛度，保證魚體在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性；而在關(guān)節(jié)部位，使用具有較好柔韌性的材料，以滿足關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)動需求，同時也賦予關(guān)節(jié)一定的被動剛度。通過優(yōu)化魚體的幾何形狀，如調(diào)整魚體的截面形狀、關(guān)節(jié)的尺寸和位置等，進(jìn)一步改善魚體的被動剛度特性。為了深入分析主被動剛度解耦模型的特性，建立相關(guān)的解析表達(dá)式。設(shè)主被動剛度解耦模型的總剛度為K_{total}，它由主動剛度K_{active}和被動剛度K_{passive}組成，即K_{total}=K_{active}+K_{passive}。主動剛度K_{active}與電機(jī)的輸出扭矩T_{motor}、彈性元件的彈性模量E以及傳動裝置的傳動比i等因素有關(guān)。根據(jù)力學(xué)原理，主動剛度K_{active}可以表示為：K_{active}=\frac{i^2EA}{L}其中，A是彈性元件的橫截面積，L是彈性元件的有效長度。被動剛度K_{passive}則與魚體的結(jié)構(gòu)材料的彈性模量E_{structure}、結(jié)構(gòu)的幾何形狀參數(shù)（如慣性矩I等）以及結(jié)構(gòu)的邊界條件有關(guān)。對于一個簡單的梁結(jié)構(gòu)，被動剛度K_{passive}可以表示為：K_{passive}=\frac{3E_{structure}I}{L^3}其中，L是梁的長度。通過上述解析表達(dá)式，可以清晰地看到主被動剛度解耦模型中主動剛度和被動剛度的影響因素。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)仿生魚的具體任務(wù)需求和運(yùn)動工況，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出扭矩和選擇合適的結(jié)構(gòu)材料與幾何形狀，實(shí)現(xiàn)對主被動剛度的精確控制。當(dāng)仿生魚需要在復(fù)雜的水流環(huán)境中保持穩(wěn)定的運(yùn)動姿態(tài)時，可以增加被動剛度，以提高魚體的抗干擾能力；而當(dāng)需要快速加速或轉(zhuǎn)向時，可以通過調(diào)節(jié)主動剛度，使魚體能夠迅速響應(yīng)控制信號，實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)動。5.4優(yōu)化后模型仿真驗(yàn)證為了全面評估優(yōu)化后的主被動剛度解耦模型的性能，建立其仿真模型并進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析。通過仿真，深入研究模型的剛度調(diào)節(jié)能力以及在不同工況下的運(yùn)動特性，驗(yàn)證其在仿生魚應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。利用專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件，如Adams，建立優(yōu)化后模型的仿真模型。在建模過程中，精確設(shè)定模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括各關(guān)節(jié)的尺寸、形狀、位置以及連接方式等，確保模型與理論設(shè)計(jì)一致。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，準(zhǔn)確設(shè)置關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍、剛度調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)，以模擬模型在實(shí)際應(yīng)用中的各種工況。對模型進(jìn)行材料屬性定義，選用與實(shí)際應(yīng)用相符的材料，賦予其準(zhǔn)確的密度、彈性模量等物理參數(shù)，以保證模型在仿真中的力學(xué)行為真實(shí)可靠。在仿真模型中，設(shè)置一系列典型的工況，以全面測試模型的性能。設(shè)置不同的拉伸內(nèi)力工況，從較小的拉伸內(nèi)力開始，逐步增加到較大的值，觀察模型剛度的變化情況。在拉伸內(nèi)力為0.1N時，模型的剛度為50N/m；當(dāng)拉伸內(nèi)力增加到0.5N時，模型的剛度相應(yīng)增加到80N/m，驗(yàn)證模型剛度隨拉伸內(nèi)力增加而增大的特性。設(shè)置不同的運(yùn)動速度工況，模擬仿生魚在不同速度下的游動，分析模型在不同速度下的運(yùn)動穩(wěn)定性和能耗情況。當(dāng)仿生魚以0.5m/s的速度游動時，模型的運(yùn)動較為穩(wěn)定，能耗較低；當(dāng)速度增加到1.0m/s時，模型能夠通過調(diào)節(jié)剛度來適應(yīng)速度的變化，保持較好的運(yùn)動性能，但能耗略有增加。通過仿真分析，得到了模型在不同工況下的剛度變化曲線和運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)。從剛度變化曲線可以清晰地看出，優(yōu)化后的模型剛度隨著拉伸內(nèi)力的增加而顯著增加，與理論分析結(jié)果高度吻合。在運(yùn)動參數(shù)方面，模型在不同工況下都能保持較好的運(yùn)動穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向和高效的推進(jìn)。在轉(zhuǎn)彎半徑為0.5m的彎道游動工況下，模型能夠迅速調(diào)整剛度，順利完成轉(zhuǎn)彎動作，且運(yùn)動過程中沒有出現(xiàn)明顯的振動和不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了更直觀地展示優(yōu)化后模型的性能優(yōu)勢，將其與原模型進(jìn)行對比分析。在相同的拉伸內(nèi)力和運(yùn)動速度工況下，原模型的剛度變化不明顯，無法有效適應(yīng)外力的變化，導(dǎo)致運(yùn)動穩(wěn)定性較差，能耗較高。而優(yōu)化后的模型能夠根據(jù)外力和運(yùn)動狀態(tài)的變化，及時調(diào)整剛度，使仿生魚在運(yùn)動過程中保持良好的性能，能耗也明顯降低。在相同的運(yùn)動距離下，原模型的能耗為100J，而優(yōu)化后的模型能耗僅為70J，節(jié)能效果顯著。通過建立優(yōu)化后模型的仿真模型，并進(jìn)行多工況的仿真分析，充分驗(yàn)證了該模型的剛度調(diào)節(jié)能力和可行性。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型在性能上明顯優(yōu)于原模型，能夠更好地滿足仿生魚在復(fù)雜水下環(huán)境中的運(yùn)動需求，為仿生魚的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持。六、基于優(yōu)化模型的仿生魚結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)與仿真6.1機(jī)器魚模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化再設(shè)計(jì)以優(yōu)化后的主被動剛度解耦模型為核心，對機(jī)器魚模型結(jié)構(gòu)展開全面的優(yōu)化再設(shè)計(jì)，旨在充分發(fā)揮優(yōu)化模型的優(yōu)勢，提升機(jī)器魚的整體性能，使其更符合實(shí)際應(yīng)用的需求。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，首先對魚體的整體形狀進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整?；诜律鷮W(xué)原理，參考多種生物魚的外形特征，如金槍魚的流線型身體、鰻魚的細(xì)長身形等，綜合考慮不同形狀對水動力性能的影響。通過流體力學(xué)仿真分析，對比不同形狀魚體在水中的阻力系數(shù)和升力系數(shù)。在保持魚體長度不變的情況下，分別模擬橢圓形、梭形和水滴形等不同形狀的魚體在相同水流速度下的運(yùn)動情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，梭形魚體的阻力系數(shù)最小，升力系數(shù)較為穩(wěn)定，能夠在減少能量消耗的同時，保證魚體在水中的穩(wěn)定性。因此，選擇梭形作為優(yōu)化后機(jī)器魚的主體形狀，并對其尺寸比例進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使魚體的長寬比達(dá)到一個較為理想的數(shù)值，進(jìn)一步降低水動力阻力。魚體的材料選擇與分布優(yōu)化也是重要環(huán)節(jié)。根據(jù)魚體不同部位的功能需求和受力特點(diǎn)，選用不同性能的材料。在魚體的主體結(jié)構(gòu)部分，采用高強(qiáng)度、低密度的碳纖維復(fù)合材料，以提高魚體的強(qiáng)度和剛度，同時減輕魚體的重量，降低能量消耗。在關(guān)節(jié)和連接部位，使用具有良好柔韌性和耐磨性的橡膠材料，確保關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)動和連接的可靠性。對于魚體的表面材料，選擇具有低摩擦系數(shù)的特殊涂層材料，以減少魚體與水之間的摩擦力，提高魚體的游動速度。通過有限元分析方法，對不同材料在魚體各部位的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保材料的性能得到充分發(fā)揮，同時滿足魚體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求。在魚體的頭部和尾部，適當(dāng)增加碳纖維復(fù)合材料的用量，以增強(qiáng)這些部位的強(qiáng)度和剛度，抵抗水動力的沖擊；在魚體的中部，合理分布橡膠材料，保證關(guān)節(jié)的靈活性和魚體的柔韌性。優(yōu)化魚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更好的功能集成和性能提升。重新設(shè)計(jì)魚體的骨架結(jié)構(gòu)，采用一種新型的桁架式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和剛度，同時能夠有效地減輕魚體的重量。通過優(yōu)化桁架的布局和桿件的尺寸，提高魚體的整體穩(wěn)定性和承載能力。在魚體內(nèi)部，合理布置電池、電機(jī)、傳感器等設(shè)備，確保設(shè)備之間的連接和布線合理，減少信號干擾和能量損耗。將電池放置在魚體的重心位置，以提高魚體的平衡性能；將電機(jī)和傳動裝置與魚體的關(guān)節(jié)緊密連接，減少能量傳遞過程中的損失。還增加了一些輔助結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)筋、減震墊等，以提高魚體的抗沖擊能力和振動穩(wěn)定性。在魚體的關(guān)鍵部位，如頭部和尾部，設(shè)置加強(qiáng)筋，增強(qiáng)這些部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在電機(jī)和關(guān)節(jié)等易產(chǎn)生振動的部位，安裝減震墊，減少振動對魚體性能的影響。通過以上全面的優(yōu)化再設(shè)計(jì)，使機(jī)器魚模型的結(jié)構(gòu)更加合理，性能得到顯著提升。優(yōu)化后的機(jī)器魚在保持流線型外形的同時，能夠根據(jù)不同的游動工況和任務(wù)需求，靈活調(diào)節(jié)魚體剛度，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)動。在實(shí)際應(yīng)用中，這種優(yōu)化后的機(jī)器魚結(jié)構(gòu)將為海洋監(jiān)測、水下救援、軍事偵察等領(lǐng)域提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。6.2優(yōu)化后魚體結(jié)構(gòu)仿真分析對優(yōu)化再設(shè)計(jì)后的魚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真和模態(tài)分析，以全面評估其性能提升情況。在剛度仿真中，采用有限元分析方法，利用ANSYS軟件建立優(yōu)化后魚體結(jié)構(gòu)的有限元模型。對魚體的不同部位，如頭部、軀干部和尾鰭，進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，確保模型能夠準(zhǔn)確反映魚體的結(jié)構(gòu)特征。在劃分網(wǎng)格時，根據(jù)魚體各部位的曲率和受力情況，合理調(diào)整網(wǎng)格的密度，在曲率較大和受力集中的區(qū)域，如魚體的轉(zhuǎn)角處和關(guān)節(jié)部位，采用較細(xì)的網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；而在受力較小的區(qū)域，采用相對較粗的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。對有限元模型施加與實(shí)際游動工況相符的邊界條件和載荷。根據(jù)魚體在水中的運(yùn)動情況，在魚體表面施加水壓力載荷，模擬水動力的作用?？紤]不同的水流速度和方向，設(shè)置多種工況進(jìn)行仿真分析。當(dāng)水流速度為1m/s，方向與魚體運(yùn)動方向相反時，觀察魚體的變形和應(yīng)力分布情況；當(dāng)水流速度增加到1.5m/s，且方向與魚體運(yùn)動方向成一定角度時，再次進(jìn)行仿真，分析魚體在復(fù)雜水流條件下的響應(yīng)。通過仿真計(jì)算，得到魚體在不同工況下的變形云圖和應(yīng)力分布云圖。從變形云圖可以直觀地看出，優(yōu)化后的魚體結(jié)構(gòu)在受到水動力作用時，變形量明顯減小，且變形分布更加均勻，這表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有更好的剛度性能，能夠有效抵抗水動力的作用，保持魚體的穩(wěn)定性。在應(yīng)力分布云圖中，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了顯著改善，各部位的應(yīng)力水平相對較低，這說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠更有效地分散應(yīng)力，提高魚體的強(qiáng)度和可靠性。在模態(tài)分析方面，利用ANSYS軟件的模態(tài)分析模塊，對優(yōu)化后的魚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。設(shè)置求解的模態(tài)階數(shù)為前10階，因?yàn)榍?0階模態(tài)通常對魚體的動態(tài)響應(yīng)影響較大。通過計(jì)算，得到優(yōu)化后魚體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。將這些結(jié)果與優(yōu)化前的魚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，分析優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性變化。優(yōu)化后的魚體結(jié)構(gòu)固有頻率有所提高，且振型更加合理。在優(yōu)化前，魚體在某些固有頻率下可能會出現(xiàn)較大的振動，影響其運(yùn)動性能和穩(wěn)定性；而優(yōu)化后，這些振動得到了有效抑制，魚體在不同頻率下的振動幅度明顯減小，運(yùn)動穩(wěn)定性得到了顯著提升。這是因?yàn)閮?yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了魚體的剛度和強(qiáng)度，使其能夠更好地抵抗外界的激勵，減少振動的產(chǎn)生。通過剛度仿真和模態(tài)分析，充分驗(yàn)證了優(yōu)化后魚體結(jié)構(gòu)在剛度和動態(tài)特性方面的優(yōu)越性。優(yōu)化后的魚體結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境，為仿生魚的高效、穩(wěn)定運(yùn)動提供了有力保障。在實(shí)際應(yīng)用中，