麻省理工学院跳出了解决水上行走的神秘面纱

时间:2019-03-04 16:26:28 阅读:1次
马萨诸塞州剑桥市 - 麻省理工学院的研究人员在8月7日的“自然”杂志上报告说,他们现在明白了被称为水str的昆虫如何在池塘和海洋的表面上毫不费力地掠过。
此外,研究人员创造了机器人水上机器人Robostrider,它使用相同的流体动力学来移动,尽管不如其天然对应物那样优雅和快速。
John W.M.表示,人们对这些半水生生物(格里达科等家族)表面运动的流体动力学知之甚少。布什,麻省理工学院数学副教授,自然研究的作者。除了水str之外,他还打算将他在流体动力学方面的专业知识运用到其他水面游泳运动员身上。
布什的水str研究解决了1993年被称为Denny's Paradox的问题。人们一直认为水str通过制造推动它们前进的波浪而移动。斯坦福大学海洋生物学家Mark W. Denny指出,从理论上讲,婴儿水str不能游泳,因为他们的腿不够快,不能产生波浪。但事实上,新孵出的水str与成年人一样划过水面。
“丹尼的悖论呼吁进行仔细的实验??调查,”布什说。
使用数学,高速摄影和各种流动可视化技术,布什,数学研究生David L. Hu和机械工程研究生Brian Chan发现了水str在水上行走的真实方式。
当昆虫停留在表面上时,其细腿的尖端形成微小的谷。它像桨一样划动其三对腿的中间部分,使得这些腿后面的水向前推进,因为山谷的表面像蹦床一样反弹。
虽然划船运动确实会产生微小的波浪,但“波浪并没有在推进所需的动量传递中发挥重要作用,”研究人员写道。 “动量转移主要是以地下涡旋的形式出现。”
Hu和Chan在剑桥的Fresh Pond水库和康科德的Walden Pond的网中收集了水str,并将它们带回麻省理工学院应用数学实验室的水族馆。利用粒子追踪,染料研究和麻省理工学院Edgerton教育中心借来的高速摄像机,他们拍摄了罢工者移动时产生的独特花饰图案。
划桨手在水下孵化,但生活在水面上。如果它们确实碰巧在水下结束,它需要大量的力 - 类似于提升100倍的体重 - 才能爬出来。有数百种水str,随着它们的大小增加,它们的腿必须成比例地长,以使它们成为可行的水上行走者。巨大的越南水str,长20厘米,是最大的这种昆虫,仍能在水上行走。
在池塘,河流和开阔海洋上发现的步兵可以将自己推进到每秒150厘米的速度。他们的腿上覆盖着细小的毛发,使它们漂浮在水面上。它们有两个步态:一次滑行可轻松传输一个体长(1厘米),或者将其推向空中并向前推进。
Chan设计并制造了机械式水str。 Robostrider由7-Up罐头,不锈钢丝腿和弹性带连接在一起,用于为其中间腿提供动力。光线不足以突破水面,每行程行进半个体长。与自然对应物一样,Robostrider传递动量的主要方式是划船动作所形成的漩涡形式。
胡的博士论文是关于各种表面游泳运动员的推进机制,它们都依赖于操纵水面来产生推力。他正在研究Microvelia,一种通过喷射表面活性剂来推动自身的甲虫; Mesovelia,一种可以攀爬半月板的沼泽昆虫(水面上的颠簸),以及淡水池塘蜗牛Physidae,它可以在两个坚硬的表面上推进自身并在空气 - 流体界面下倒置。
布什说,数学并没有广泛应用于这类生物现象。 “界面生命的物理和流体动力学仍然知之甚少,”他说。继续研究水str动力学将与鸟类,昆虫和鱼类的研究相结合,试图表征作用于其身体的水动力。
“这是一个广阔的区域,”他说。 “生物界的这一子集主要受到表面张力的影响,并且在很大程度上被流体动力学家所忽视。”
这项工作得到了国家科学基金会的支持。
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