仿生鱿鱼俯仰姿态下水动力学数值模拟

鱿鱼作为海洋高等软体动物,其软体特征与腕部特点为其机动性奠定了基础。为研究仿生鱿鱼软体触腕在不同俯仰角度下的弯曲特性,选择茎柔鱼(Dosidicus gigas)为仿生对象,建立仿生鱿鱼不同俯仰角度下的简化三维模型,并根据不同俯仰角度假设触腕不同弯曲特性。根据三维简化模型,采用数值模拟方法,分析比较仿生鱿鱼在不同俯仰姿态下与触腕弯曲下的水动力特性。研究认为:仿生鱿鱼采用软体触腕协调游动时,为其俯仰姿态的完成提供了有利的转矩,俯仰角最大为45°时其力矩系数达到-0.001 7,更有利于其高速游动时俯仰姿态的调整与游动方向的改变;仿生鱿鱼在完成俯仰姿态时可以通过改变腕部的弯曲程度,更及时高效地调整姿态与改变游动方向,且所需能耗较小。研究结果对仿生鱿鱼软体触腕的控制提供了依据与参考,同时为研究其高机动性游动行为与材料的选取奠定了基础。     

哥斯达黎加外海茎柔鱼个体与耳石间生长关系研究

根据2009年7-8月哥斯达黎加外海采集的茎柔鱼样本,利用多种统计方法分析了茎柔鱼耳石与个体生长之间的关系。研究认为,耳石各形态参数与胴长(ML)关系显著(P<0.01),其中背侧区间长(DDL)、耳石总长(TSL)与其相关性最大。耳石生长存在两个阶段,当ML小于26～30 cm时,其耳石生长迅速,之后耳石生长减慢。在生长过程中,耳石背区长(DL)、吻区内长(RIL)、DDL生长快于TSL,背侧区夹角(DDA)、吻侧区夹角(RDA)、吻区夹角(RA)则随着ML的增大出现减小趋势,侧区、吻区形态变化显著(P<0.05)。耳石形态先于生长速度发生显著性变化,同时各形态参量发生显著性变化时间不同,但形态特征变化主要发生在ML为23～29 cm个体中,之后趋于稳定。耳石生长及形态显著性变化与茎柔鱼栖息水层改变相关,茎柔鱼与中上层头足类耳石特征相符。     

仿生鱿鱼肉鳍扑动推进机理数值研究

在仿生机器鱿鱼的设计制作中,通过肉鳍摆动辅助腕的收缩以及喷水推进的组合,使得鱿鱼可以以多种运动形式进行游泳。为研究鱿鱼肉鳍的扑动推进机理,采用计算流体力学(CFD)方法对生物鱿鱼外形进行等比例数值建模,计算分析鱿鱼肉鳍在不同扑动角度下的水动力特性。在此基础上,通过改变肉鳍占体比例、肉鳍形状等参数,研究不同参数对鱿鱼肉鳍扑动推进性能的影响。结果显示:鱿鱼肉鳍扑动过程中肉鳍上下表面出现明显涡流区与压力差,鱿鱼在该压力差的作用下完成升沉运动与水平运动;当鱿鱼肉鳍占体比例超过0.3时,升沉力与水平推进力均随肉鳍占体比例的增加呈明显上升趋势,而阻力变化趋于稳定,适当增加肉鳍的占体比例可获得更高的扑动推进效率;横菱形肉鳍具有较高的推进效率与较低的游动阻力,在仿生鱿鱼设计中是一种较为理想的选择。研究结果为仿生机器鱿鱼的设计制作提供了计算方法和理论参考。     

西北太平洋柔鱼种群的聚类分析

根据沪渔公司鱿钓船于1999年10-11月在西北太平洋165℃E以西海域随机采集的柔鱼样本,测定其胴长、鳍长、鳍宽、眼径、右1腕长、右2腕长、右3腕长、右4腕长和右触腕穗长9个形态特征指标值。利用灰色系统理论中的变权聚类分析方法,对柔鱼种群结构进行初步划分。研究结果表明,在西北太平洋海域,柔鱼存在着两个明显的独立种群,其形态特征值有较大的差异。     

西北太平洋柔鱼种群的聚类分析

根据沪渔公司鱿钓船于1999年10-11月在西北太平洋165℃E以西海域随机采集的柔鱼样本,测定其胴长、鳍长、鳍宽、眼径、右1腕长、右2腕长、右3腕长、右4腕长和右触腕穗长9个形态特征指标值。利用灰色系统理论中的变权聚类分析方法,对柔鱼种群结构进行初步划分。研究结果表明,在西北太平洋海域,柔鱼存在着两个明显的独立种群,其形态特征值有较大的差异。     

秘鲁外海茎柔鱼繁殖生物学研究

根据我国鱿钓渔船2008年1月至2010年10月在秘鲁外海采集的2 489尾茎柔鱼样本,对其繁殖生物学内容进行了分析。结果表明,渔获以雌性个体为主,雌雄比例为3.99∶1。渔获物成熟个体所占比例较小,雌、雄分别为10.4%和21.3%,但各月均有成熟雌性个体出现,说明茎柔鱼全年产卵。茎柔鱼Ⅰ~Ⅳ期性腺指数随着性腺成熟度等级增加而不断增大(P0.05),Ⅴ期时随着生殖作用的进行性腺指数较Ⅳ期有所下降。缠卵腺重与缠卵腺长呈明显的幂函数关系。茎柔鱼Ⅰ~Ⅳ期缠卵腺指数随着性腺成熟度等级增加而不断增大(P0.05),Ⅴ期时随着排卵作用进行缠卵腺指数较Ⅳ期有所下降。成熟个体比率与胴长拟合Logistic曲线显示,雌性茎柔鱼性成熟胴长为539 mm,雄性为507 mm。     

东太平洋不同海域环境因子对茎柔鱼分布的影响差异分析

为探究东南太平洋不同海域环境因子对茎柔鱼栖息地分布的影响差异,本研究利用东太平洋2016—2018年赤道海域、秘鲁外海与2015—2017年智利外海3个海域茎柔鱼渔业生产数据,选取海表面温度（Sea surface temperature,SST）、涡旋动能（Eddy kinetic energy,EKE)、海表面盐度（Sea surface salinity,SSS）、海表面高度（Sea surface height,SSH）、叶绿素浓度（Chlorophyll-a,Chl-a）、混合层深度（Mixed layer depth,MLD）、溶解氧浓度（Dissolved oxygen,DO）等7个海洋环境因子,建立最大熵模型以探究不同海域夏、秋两个季节内茎柔鱼适栖息地分布情况以及探究环境因子对其影响的差异。结果显示,各海域不同季节最大熵模型的受试者工作特征曲线下面积（Area under the curve,AUC）均大于0.8,实际捕捞位置与模型拟合的适宜栖息地范围重合。3个海域适宜栖息地的变化情况如下：赤道夏季最适栖息地主要分布在110°~120°W、1°N~3°S海域范围内;秋季,茎柔鱼最适栖息地主要分布在97°~117°W、1.5°N~1.5°S海域范围内,栖息地分布向东延伸。秘鲁外海夏季最适栖息地主要分布在75°~86°W、15°~20°S海域范围内;秋季,茎柔鱼最适栖息地主要分布在75°~84°W、15°~20°S海域范围内,夏季到秋季最适宜栖息地整体向东南方向移动。智利外海夏季茎柔鱼最适栖息地主要分布在73°~85°W、20°~30°S;秋季最适栖息地主要分布在75°~85°W、20°~28°S海域,夏季到秋季适宜栖息地整体向东北缩减。最大熵贡献率结果显示,影响赤道、秘鲁和智利海域茎柔鱼分布的重要环境因子分别为SSH、Chl-a、SSS、SST;SSH、MLD、DO、SST和SSH、SST、Chl-a、MLD。研究表明,不同海域影响茎柔鱼分布的环境因子具有显著的地域差异。     

哥斯达黎加外海茎柔鱼生物学特性初步研究

根据2009年7-8月在哥斯达黎加外海探捕期间采集的281尾茎柔鱼样本,对其生物学特性进行初步分析。结果表明：茎柔鱼样本胴长范围为205~429 mm,优势胴长为260~360 mm,占81.14%;体重范围为0.17~1.69 kg,优势体重为0.2~1.0 kg,占88.26%;雌雄性比约为3.76∶1,性腺成熟度以Ⅲ和Ⅳ期为主,雄性、雌性性成熟的比例分别为94.92%和66.67%;摄食等级以0~1级为主,占89.32%。体重与胴长关系W=2.35×10^-7L_M^2.5944。相对于加利福尼亚湾、秘鲁和智利外海的茎柔鱼,哥斯达黎加外海茎柔鱼个体较小且体型偏瘦,属于小型或中型群体。     

哥斯达黎加外海茎柔鱼生物学特性初步研究

根据2009年7-8月在哥斯达黎加外海探捕期间采集的281尾茎柔鱼样本,对其生物学特性进行初步分析。结果表明:茎柔鱼样本胴长范围为205～429 mm,优势胴长为260～360 mm,占81.14%;体重范围为0.17～1.69 kg,优势体重为0.2～1.0 kg,占88.26%;雌雄性比约为3.76∶1,性腺成熟度以Ⅲ和Ⅳ期为主,雄性、雌性性成熟的比例分别为94.92%和66.67%;摄食等级以0～1级为主,占89.32%。体重与胴长关系W=2.35×10-7LM2.5944。相对于加利福尼亚湾、秘鲁和智利外海的茎柔鱼,哥斯达黎加外海茎柔鱼个体较小且体型偏瘦,属于小型或中型群体。     

6种快速游泳鲤科鱼类的形态差异及功能适应

形态特征是鱼类游泳能力的最直观的表现,通过对鱼类形态特征差异的研究可以比较不同个体或不同种鱼类间游泳能力的差异。选取鲤科鱼类中几种快速游泳的鱼类(96尾),应用多变量形态度量学方法对40项可量性状进行测量。对所有样本的形态特征进行主成分分析,并结合功能特征来探讨其在游泳能力上的功能适应。结果表明,4个主成分累计贡献率达81.88%;6种快速游泳鲤科鱼类的形态差异表现在头部和尾部,主要集中于头长、吻长、臀鳍起点至尾鳍背部起点、尾柄高等,这些形态特征差异是与不同鱼类差异性的摄食生态习性相适应的。     

马铃薯仿生挖掘铲片的设计与仿真

据蝼蛄前足胫节爪趾第1趾的体视显微镜照片设计了马铃薯挖掘机挖掘铲铲片,为马铃薯挖掘机提供了一种减阻效率较高的挖掘铲。应用AutoCAD软件获取爪趾外侧曲线和内侧曲线的轮廓点,并将点坐标值数据使用LIST命令导出,并借助EXCEL软件多项式拟合法对爪趾的侧面轮廓线进行拟合,在拟合多项式的基础上在Solidworks软件中进行仿生铲片的建模,最后应用LS-DYNA软件仿真模拟普通铲片与仿生铲片挖削土壤的过程,并测定两种铲片的土壤阻力。仿真结果表明,仿生铲片较普通铲片土壤阻力减小近61%。所设计的仿生挖掘铲片为马铃薯挖掘机挖掘铲减阻技术要求提供了一种解决思路,且结构新颖。     

鲤鱼三维建模及流场受力数值计算

将鱼体和鱼鳍整体作为研究对象进行流场中受力分析对于研究鱼类本身高游动效率机理和仿生应用具有重要意义。以鲤鱼为研究对象,通过对鱼体的形体模型数学化,将特征数据导入FLUENT三维软件,结合鲤鱼的运动与形体特征进行建模,并将其模型置于来流方向平行于鱼体的流场中进行力学有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用标准两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。通过计算发现X方向上所受阻力贡献度排名前三分别为鱼头部分的45%、鱼主体部分的29%以及鱼胸鳍部分的14%;鱼体部分在Y方向上所受升力贡献度排名前三分别为鱼胸鳍部分的47%、鱼主体部分的29%以及头部的14%;总合力为（-7.88×10-3, 2.00×10-3,-5.87×10-5）N。计算结果表明在设计中考虑升力时应主要着重于鱼的前鳍以及鱼体部分的设计,考虑运行阻力时应着重于鱼头以及鱼体部分的设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较好的指导价值。     

温度变化对鱼类行为影响的研究进展

大多数鱼类是生活在水中的变温动物,因此温度是影响鱼类生长发育重要的非生物因素。在温度发生变化时,鱼类不会进行适应性基因变异,而是会通过忍受、抵制或偏好等热调控行为来降低环境压力。通过总结近年来鱼类热调控行为的研究成果,比较不同种类、同种异龄、同种同龄鱼在温度变化中生境选择、游泳、摄食、生殖洄游等行为差异,分析造成该差异可能的内在机制,以及温度突变中热调控蛋白和表观遗传学对鱼类生存影响的研究进展,阐述鱼类的热调控行为是其根据外界条件和自身需求做出的一个复杂的综合性行为,其目的是获得最大化的热调控优势。为了更深入解读全球气候突变对鱼类生存的影响,需要对鱼类热调控行为及调控机理进行更进一步的研究。     

许氏平鲉、大泷六线鱼临界游速与爆发游速及其生理指标的研究

利用垂直循环回流水槽和PVC水槽,分别测定了许氏平鲉Sebastes schlegeli、大泷六线鱼Hexagram-mos otakii的临界游速和爆发游速,并分析了鱼类游泳后对其生理指标的影响。结果表明：体长为10~22cm的许氏平鲉其临界游速为44.69~69.07 cm/s,其相对临界游速为3.11~4.69 BL/s;体长为10~22 cm的大泷六线鱼其临界游速为42.39~82.93 cm/s,其相对临界游速为3.45~4.90 BL/s;体长为10~22 cm的许氏平鲉其爆发游速为76.68~118.18 cm/s;体长为10~22 cm的大泷六线鱼其爆发游速为81.69~121.25 cm/s。根据临界游速测定结果,估算出许氏平鲉和大泷六线鱼的最大游泳距离分别为6 776.4 m和7 423.2 m;根据爆发游速的测定结果估算出两种鱼的最适逃逸距离为15~25 m。临界游泳疲劳后,许氏平鲉血糖、血乳酸和肌肉乳酸含量均显著高于对照组（P〈0.05）,肌糖元、肌肉蛋白与对照组无显著差异（P〉0.05）;大泷六线鱼血乳酸、肌肉乳酸含量显著高于对照组（P〈0.05）,血糖、肌糖元、肌肉蛋白含量显著低于对照组（P〈0.05）。爆发游泳疲劳后,许氏平鲉血糖、血乳酸、肌肉乳酸含量均显著高于对照组（P〈0.05）,肌糖元含量与对照组无显著差异（P〉0.05）;大泷六线鱼血糖、肌糖元、肌肉蛋白含量显著低于对照组（P〈0.05）,血乳酸含量显著高于对照组（P〈0.01）,肌肉乳酸含量显著高于对照组（P〈0.05）。     

衰老对斑马鱼呼吸代谢和游泳行为的影响

以模式生物斑马鱼作为实验对象,首先从躯体形态和繁殖能力上对6月龄与30月龄斑马鱼的特征进行了区分,而后分别比较了6月龄和30月龄斑马鱼在昼夜节律、应激行为和呼吸代谢方面的差异,研究衰老对斑马鱼代谢和行为的影响。结果显示:30月龄斑马鱼脊柱弯曲,并且在产卵量、受精率、孵化率和成活率等方面均低于6月龄斑马鱼,显示出明显的衰老特征。6月龄斑马鱼昼夜间的游泳行为具有明显的节律性,与30月龄斑马鱼相比,其白天活动量大,夜晚静息,昼夜间游泳行为具有显著差异。当遭受驱逐刺激后,6月龄斑马鱼的快速游泳距离、快速游泳时间和平均游泳速度均高于30月龄斑马鱼(P 0. 05);当遭受光照刺激后,6月龄斑马鱼的快速游泳距离和平均游泳速度高于30月龄斑马鱼(P 0. 05)。应激行为实验结果表明:衰老斑马鱼的应激游泳能力显著低于年轻斑马鱼。30月龄斑马鱼的标准代谢率(SMR)、最大代谢率(MMR)和代谢范围(MS)低于6月龄斑马鱼(P 0. 05),与应激游泳行为的差异一致。繁殖、代谢和应激游泳行为是鱼类重要的生理活动,研究衰老与年轻斑马鱼的生理行为,有助于进一步理解衰老对机体生理功能的影响,并为深入探究衰老对斑马鱼代谢和行为影响的内在机制奠定基础。     

野生巨魾生物学特性研究

通过对巨魾栖息的江河实地调查了解,共测量321尾巨魾外部形态,解剖其中61尾的内脏结构,对其中213尾野生活体进行人工驯养研究。结果如下:巨魾为底栖肉食性淡水鱼类;其外部形态结构特征和消化系统有较好的适应性;肠长与体长比值为1.19,体长与体质量关系为M=0.011L3.0848;其成熟年龄大约为5龄,产漂浮性卵,有良好的繁殖特性。     

液体沿固体壁面滑移减阻机理分析

根据固液两相间的相互作用,提出了液本沿固体表面滑移的机理。当液体沿固体表面的流速超过临界速度时,出现滑移,学样能实现减阻;否则液体与固体边界同速。固液间的粘附功越小,并且液体的粘度越大时,临界流速越小,越易实现滑移减阻,并为滑移减阻提出了具体建议。     

鼢鼠挖掘活动及爪趾几何特征量化分析

[目的]量化分析东北鼢鼠的挖掘活动规律、爪趾几何结构特征以及爪趾内外轮廓线特征。[方法]以东北鼢鼠为研究对象,观察和分析了东北鼢鼠爪趾的几何结构特征;对东北鼢鼠的挖掘活动进行观察;利用MATLAB软件的数字图像处理功能提取前爪中间趾边缘特征图像,并对边缘轮廓进行了曲线拟合,得到了内外轮廓拟合曲线方程,并对曲线的曲率进行了计算。[结果]试验表明,东北鼢鼠前爪爪趾粗壮,尖而利,前端呈楔形,利于挖掘;东北鼢鼠的挖掘过程可以分为掘土、踢土、推土、食物或障碍处理、修补洞道等;前爪第三趾外轮廓曲率变化较小,表面光滑平顺,减少挖掘阻力,保证了挖掘的洞道表面平整;内轮廓曲线曲率变化较大,利于爪趾入土,在掘土过程中土壤易于沿爪趾表面翻转滑落。根据前爪中间趾内轮廓曲线设计了一种具有仿生结构的苗间除草铲,仿真结果显示仿生除草铲能在除草过程中承受更大的力。[结论]研究可为后续土壤挖掘和切削工具的仿生设计提供技术参考。