飞行乌贼游动-滑翔水空多模式运动机理及其仿生机器人研究

Investigation on the mechanism of aquatic-aerial multi-modal locomotion and corresponding bio-inspired robots is one of the hottest topics in the recent academic world. The flying squid (Todarodes pacificus) in nature has body structure and propulsion mode that can well adapt to move underwater and in the air. They can swim underwater, take off from the water to the air/land from the air to the water, and glide in the air freely, which can provide lots of constructive enlightenments for the design of the structure and propulsion system of a vehicle with aquatic-aerial multi-modal locomotion. The current project intends to reveal the mechanism of aquatic-aerial multi-modal locomotion of flying squid using methods and key techniques such as animal observation, flow field visualization analysis, dynamics analysis and modeling, 3D printing and fabrication, and bio-inspired prototype design and experiments. Based on the developed bio-inspired prototype and corresponding work such as modeling, simulation, and experimental validation, we plan to answer two key scientific issues: 1) what is the mechanism of the flying squid’s high efficient takeoff from the perspectives of fluid mechanics and biomechanics? 2) How does a flying squid trade off on the body structure and propulsion mode when moving underwater and in the air so that they can locomote with high efficiency in different media? Also, this project aim to provide theoretical basis and technical support for the development of a bio-inspired soft prototype with aquatic-aerial multi-modal locomotion which can take off from the water to the air with high speed and change structure and morphology according to the locomotion mode.

水空两栖多模式运动机理及其仿生样机研制一直是国际上研究的热点，自然界中的飞行乌贼具有优异的水空两栖多模式运动能力，能够自如地实现水下游动、水-空/空-水过渡、空中滑翔飞行，对其多介质多模式运动机理进行深入探索并仿生复现可为水空两栖多模式飞行器的实现提供理论指导和技术支撑。本项目将通过生物观测、流场可视化分析、动力学分析和建模、多材料3D打印、变结构软体仿生样机研制及实验测试等关键技术手段探索飞乌贼的水空多模式运动机理。基于相应的建模、仿真和仿生样机实验验证，拟回答两个关键科学问题：飞乌贼实现高效喷射起飞的流体力学与生物力学机制是什么？飞乌贼是如何通过变结构实现水/空流体环境下的跨介质高效率航行的？本课题将对这两个科学问题进行系统的研究，为具有高速出水能力的变结构软体仿生水空两栖多模式飞行器的研制提供新的思路和技术方案。

水空跨介质航行器是一种可以在水下和空中两种介质中运动的航行器，有着广泛的应用。自然界中的部分生物经过长时间的进化，由于生存环境的需要发展出了卓越的跨介质航行能力，如水鸟、飞鱼、飞行乌贼、鲣鸟等。本研究以自然界中具备优异水/空运动能力的飞行乌贼为研究对象，开展了生物原型调研、喷水起飞推进机理研究、软体变结构方法机理研究、水/空跨介质飞行权衡机制研究、仿生样机研制等多个方面的研究工作。.首先，本研究采用计算流体力学方法对乌贼喷水起飞过程进行了三维流体仿真复现。最终得出，在乌贼的水-空推进过程中，喷流推进选择了推进力优先策略而非推进效率优先策略。 .此外，本研究提出了基于软体机器人技术的软体鱼鳍设计方案，成功设计并制作了利用高压气体驱动的软体变结构仿生鱼鳍，该鱼鳍能够在气体驱动下自如地折叠和展开，为仿生飞行乌贼水空跨介质航行器的多模式运动的实现提供了新的解决方案。.基于上述内容，设计了仿生飞行乌贼样机并进行了相关试验测试等。通过水下和水-空发射实验，验证了仿生样机的水下游动，水-空发射，软体变结构等关键性能。.最后，为揭示飞行乌贼在不同流体环境的高效率航行机理，本研究利用水下拖曳试验平台和大型风洞分别完成了样机在水/空航行时水动力和气动力参数获取实验。试验结果表明空中滑翔飞行时展开的对鳍腕鳍提高了乌贼的升力系数和姿态调整能力，而在水下运动时折叠/收拢的腕鳍对鳍减小了水阻力，获得了更好的水-空发射加速性能。.本课题的研究对飞行乌贼生物形态学进行了详细的调研，完成了乌贼水-空发射飞行的三维流体仿真，实现了仿生软体变结构鱼鳍的设计制作，设计并完成了具有水下/空中多介质航行能力的仿生样机，并对仿生样机进行了风洞及水洞实验。本课题的研究揭示了生物乌贼的变结构多模式运动机理、喷射起飞涡推进机理，探讨了仿生飞行乌贼样机系统设计，将为仿生水空跨介质航行器的研究提供重要理论依据和方案参考。