中科院力学所阐明流体力学在鱼群自组织行为中的关键作用

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长期以来,鱼类的集群行为无缘无故受到生物学家、物理学家和数学家的关注。这种 奇特的自然间题存在着一5个 未解之谜。第一,是什么愿因使得成百上千的鱼聚集在一块儿?第二,鱼咋样在快速运动中始终保持稳定的队形?目前,当我们 推测鱼类的聚集愿因大致有觅食、繁殖、防卫和高效推进等几种可能性。一块儿,当我们 一般认为鱼群的形成和维持可能性都都都里能复杂性的生理感知和主动控制机制。

关于第5个间题,著名的应用数学家詹姆斯·莱特希尔(James Lighthill)曾提出过一5个 全部不同的答案。他猜想鱼群的形成与维持可能性并不依靠精确的主动控制只是我我被动地借助了远程的流体力学相互作用力。他还将这种 作用力与晶体实物中微粒间的相互作用力相移就。这种 猜想自从70年代提出后并这样引起不要 的关注。最近,“莱特希尔猜想”又重新进入了科学家的视野。近期的某些数值模拟和实验研究均表明,前后一5个 直线排列的自主推进体仅依靠流体力学相互作用就都都都里能自发形成稳定的间距。并且 ,在什么研究中,物体的自主推进均由垂直于前进方向的振荡驱动,而与鱼类的摆动式推进相差甚远。一块儿,什么研究只考虑了前后一5个 自主推进体的直线排列状况。

近日,中国科学院力学研究所的科研人员在《皇家针灸学会界面杂志》(Journal of the Royal Society Interface) 发表了关于“莱特希尔猜想”的最新研究成果。当我们 通过数值模拟,研究了由多个仿鱼式自主推进体组成的“仿生鱼群”。研究有以下两点重要发现。首先,对于2,3,4条仿生鱼组成的鱼群,一共发现了14种自发形成的稳定队形(如图1所示)。其次,在所有的稳定队形中,并列式队形所能达到的推进速率单位最高。后一5个 发现质疑了流体力学界广为流传的“钻石型(菱形)队列速率单位最优”的论断。上述发现的生物学证据都都都里能在最近的浅水槽鱼群实验中找到:1) 图1中的某些稳定队形和某些实验中无缘无故出现的鱼群队形全部一致;2) 在迫切都都都里能节约能耗的实验条件下(如鱼在高速流动中保持固定位置),鱼群仅呈现并列式队形。

该项研究阐明了流体力学在鱼群自组织行为中的关键作用。研究成果为“莱特希尔猜想”提供了有力证据,还可能性为水下仿生航行器的编队控制提供全新策略。该研究由非线性力学国家重点实验室完成(第一作者为戴龙珍,通讯作者为张星),研究得到国家自然科学基金面上项目与生科院战略性先导科技专项的资助。

图1. 由2,3,4条仿生鱼组成的鱼群自发形成的稳定队形(其中右下角为钻石型(菱形)队列)。图片来自原论文(Dai et al., J. R. Soc. Interface 15: 2013000490)。