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,鱼类的集群行为一直受到生物学家、物理学家和数学家的关注。这人奇特的自然现象发生着有2个多未解之谜。第一,是哪几种由于使得成百上千的鱼聚集在同时?第二,鱼如保在快速运动中始终保持稳定的队形?目前,朋友推测鱼类的聚集由于大致有觅食、繁殖、防卫和高效推进等几种将会。同时,朋友一般认为鱼群的形成和维持将会时需多样化的生理感知和主动控制机制。

关于第八个现象,著名的应用数学家詹姆斯·莱特希尔(James Lighthill)曾提出过有2个多全部不同的答案。他猜想鱼群的形成与维持将会并非 依靠精确的主动控制要是被动地借助了远程的流体力学相互作用力。他还将这人作用力与晶体形态学 中微粒间的相互作用力相打比方。这人猜想自从70年代提出后并这麼 引起越多的关注。最近,“莱特希尔猜想”又重新进入了科学家的视野。近期的其他数值模拟和实验研究均表明,前后有2个多直线排列的自主推进体仅依靠流体力学相互作用就都也能 自发形成稳定的间距。而且,在哪几种研究中,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。同时,哪几种研究只考虑了前后有2个多自主推进体的直线排列情况报告。

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。朋友通过数值模拟,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传输传输速率最高。后有2个多发现质疑了流体力学界广为流传的“钻石型(菱形)队列传输传输速率最优”的论断。上述发现的生物学证据都也能 在最近的浅水槽鱼群实验中找到:1) 图1中的其他稳定队形和其他实验中一直出显的鱼群队形全部一致;2) 在迫切时需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,还将会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和阳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: 20130490)。