䲟鱼仿生游动吸附机理与实验研究

The adhesion disc of the living Remora (echeneid fish) represents one of the most remarkable structural innovations among all vertebrates. Remoras are able to instantaneously attach to many marine host animals that have varied skin roughness, for example, sharks, dolphins and sea turtles etc. The underlying morphological and biomechanical functions behind Remoras’ “hitchhiking” behavior attract growing attentions of research scientists. In this project, we aim to reveal the biophysical mechanism of the remora attachment during the swimming by using multiple scientific approaches that include biological measurement, micro-nano, 3D printing fabrication, robotic experiments and fluid mechanics. To this end, we intend to couple bio-inspired control, bio-inspired kinematics and mechanism, bio-inspired micro-nano structures to an integrated remora-inspired underwater robot. We aim to explore two main scientific questions according to the robot: how the disc pad of remora can stick to multiple biological substrates so remarkably? How the swimming Remora “hitchhike” to different marine hosts by harmonically controlling the adhesion disc, the undulatory body and the fins? The research methodologies and results of this project are expected to leverage to a strong, sustainable basis for a novel biologically inspired energy-efficient underwater vehicle.

䲟鱼可以在游动中完成对鲨鱼、海豚、海龟等不同生物表面的吸附，其形态学与生物力学的研究已成为国际仿生界最新的热门话题，而其头部的吸盘被生物学家称作”脊椎动物解剖学上最奇妙的结构之一”。本课题将通过生物测量、微纳与3D打印制造、机器模型实验、流体力学等关键技术手段揭示䲟鱼“游动吸附”的科学机理。本课题的主要目标是构建一个集控制仿生、运动与机构仿生、微纳结构仿生于一体的新的科学样机：可自由吸附多种生物表面的仿生水下机器人，并基于该样机与相应的实验装置回答两个关键的科学问题：䲟鱼头部吸盘的形态学与生物力学机制是什么? 䲟鱼是如何通过协调控制身体、鳍与吸盘实现在游动时吸附/脱落自然界多种不同尺度的生物或仿生表面？本课题将通过以上研究，为具有实用价值的高效长航程水下航行器提供新的思路与理论技术基础。

生物吸附是自然界中一种典型的运动模式。依靠头部特殊的吸盘结构，䲟鱼能够吸附到诸如鲨鱼、海豚、船体等表面做“免费搭乘”，以节省游动能量。䲟鱼吸盘的特殊性在于：它不仅有周边的柔软唇圈提供吸附，在其唇圈内部还有成排的软组织包裹骨骼的鳍片状结构，在每排鳍片的顶部有2-3排向后生长的微米级别的硬质小刺结构。前人的研究表明，䲟鱼吸盘内部的特殊结构可能对其吸附有着至关重要的作用。受制于生物行为的不可控性，无法直接对䲟鱼吸盘进行研究。因此，通过仿生学设计制作出完全仿生的䲟鱼吸盘、再对该仿生吸盘进行力学探索从而获取生物吸附规律是一个十分合理的方案。本项目利用各种先进观测、分析手段获取生物䲟鱼的各部分关键宏观和微观尺寸，再通过工程化仿生设计与制作完成仿生吸盘样机，针对该样机进行系统的力学实验，从而探索生物䲟鱼的吸附机理。同时，项目中还设计出一个仿生水下航行器，能够利用仿生吸盘完成吸附、维持、脱附、巡游等动作，这为未来新概念水下航行器的设计提供了新的思路。主要研究工作有：1）利用Micro-CT、ESEM和光学显微镜等获取䲟鱼吸盘的微纳形态学数据和关键部分材料特性；2）利用多台高速相机同步追踪获得䲟鱼吸附-维持-脱附过程中的吸盘运动，通过视频分析和数据整理获取䲟鱼吸盘内部鳍片主动运动的依据；3）基于已经获取的生物形态学和运动学数据设计仿生吸盘样机，并利用多材料3D打印、软材料浇注和微激光切割实现仿生样机的制作；4）搭建力学测试平台并制作多种不同粗糙度的吸附表面，通过系统的力学实验探究仿生吸盘的吸附机理；7）通过鳍片接触可视化实验和墨水实验对得出的生物机理进行验证；6）结合已有的仿生吸盘样机和小型水下航行器，制作出一个能够进行水下吸附的新概念航行器。同时，将仿生样机安装在多自由度机械臂的末端做工业应用展示。