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

　　柔性在生物推進中的作用是近期流體力學(xué)的研究熱點之一。 目前，已有的理論、實驗和計算均表明，適度的柔性可以提高推進性能。由于生物推進形成的尾跡與推進效率有密切聯(lián)系，因此關(guān)于尾跡的研究也得到了大家的重視。2012年，法國科研人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，柔性可以抑制生物推進中的尾跡發(fā)生對稱破缺，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效率。

　　近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點實驗室在生物推進中被動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簡化模型：即柔性薄板的一端由垂直簡諧振蕩驅(qū)動，同時在水平方向上自主推進。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速度和推進效率的提升。

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

　　這種柔性對尾跡對稱性的“雙重”作用在生物推進中具有重要的意義。由于對稱尾跡對應(yīng)于高推進效率，而非對稱尾跡對應(yīng)于高機動性，因此，柔性不但可以被生物利用以提高推進效率，還可以用來提高機動性。該項研究的結(jié)果為提高仿生水下航行器的推進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)國家重點實驗室朱曉玨、何國威和張星(通訊作者)合作完成。 

　　該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部“973”計劃項目的支持。　　

　　柔性對尾跡對稱性的雙重作用。（a) 柔性抑制尾跡的對稱破缺 (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)動方式相同且推進速度相等；B1和B2的驅(qū)動方式相同且推進速度相等。（a)與（b）的驅(qū)動條件和推進速度均不同。