波状运动中的力矩规律在解释生物驱动控制和设计机器人柔性材料中的应用

Undulatory locomotion is one of the most popular modes used by animals and has been a hot topic in locomotion research. Along with the advances in robotic research and technology, robots using undulatory locomotion become promising devices for military, industrial, and medical applications. Torque, as the corresponding physical quantity of internal driving, is crucial to some of the most important problems in animal locomotion and bio-inspired robots. In collaboration with biologists and roboticists, we will use integrative modeling methods, from reduced models to high performance 3D numerical simulations, to perform the following research: .1) Explore the torque pattern during the gait modulation of the nematode in non-inertial environments and try to explain the adaptation of the neuromuscular control to a changing environment from the perspective of mechanics; .2) Develop mechanical models of fish swimming, explore the torque pattern of undulatory swimming in high Reynold’s number fluids, and explain the tempo-spatial characteristics of the electromyography data from fishes;.3) Use torque information to determine the distribution and property parameters of soft materials in the design of fish robots, and validate the design by robot experiments.

波状运动作为动物运动最常用的运动方式之一，一直是生物运动学研究的热点。随着仿生机器人研究的蓬勃发展，波状运动的机器人在军事、经济、医疗等领域展现出广阔的应用前景。力矩作为波状运动中代表驱动的物理量，其变化规律是解决一些生物和仿生机器人研究中重要问题的关键。本项目将以力矩变化规律作为研究切入点，应用并进一步发展简化理论模型、高性能三维流体力学的数值模拟等方法，与生物和机器人实验组合作，研究以下问题：.（1） 探索在不同的惯性可忽略环境下，秀丽线虫发生步态调整时力矩的变化规律，以期从力学角度阐释生物响应外界环境的方式。.（2） 建立鱼类波状游动的动力学模型，探索高雷诺数流体环境波状运动的力矩规律，解释鱼肌电信号的时空特性。.（3） 在波状运动机器人柔性材料的设计中，利用力矩信息为柔性材料的分布和性质参数提供理论指导，并在机器人实验中检验其有效性。

波状运动作为动物运动最常用的运动方式之一，一直是生物运动学研究的热点。随着仿生机器人研究的蓬勃发展，波状运动的机器人在军事、经济、医疗等领域展现出广阔的应用前景。本项目将以力矩变化规律作为研究切入点，应用并进一步发展简化理论模型、高性能三维流体力学的数值模拟等方法，研究了波状运动的外部受力以及内部力矩和驱动系统的力学规律。我们建立鱼类波状游动的动力学模型，探索高雷诺数流体环境波状运动的力矩规律，解释鱼肌电信号的时空特性，并从根本上解释了肌电相位差现象的出现条件和原因。同时我们在转向游动、尾鳍形状对游动的影响、低雷诺数波状运动、以及颗粒物质中摆动运动的力学取得了进展。此项目加深了波状运动，尤其是鱼类游动的理解，揭示的力学原理可以用于设计更先进高效的仿生机器人。