单关节尾鳍驱动式机器鱼的运动分析与仿真

鱼类的推进方式相较于螺旋桨推进更为高效且噪声更低,如何将鱼类的游动机理与机电驱动相结合一直是国内外的研究重点之一。以一款单关节尾鳍驱动式机器鱼为模型,结合鱼类的游动机理,介绍了实现机器鱼在水中基本运动的方法;建立机器鱼在水中的运动方程,探究机器鱼在推进过程中的尾鳍摆动频率与推进速度之间的关系,并结合具体参数确定推进系数,利用FLUENT软件验证运动方程的正确性,其中包含对机器鱼阻力方程和推力方程的仿真验证。通过对单关节机器鱼的运动分析及仿真,确定机器鱼推进效率的影响因素和结构优化设计的思路方法。     

仿金枪鱼三维建模及流场受力分析

以鱼体和鱼鳍作为研究对象,在流场中进行数值模拟分析对于研究鱼类本身游动的高速、高效的游动机理和仿生工程上的应用具有十分重要的意义。以金枪鱼为仿生对象,以目前常用的回转体型水下机器人为对比对象,在三维软件Solidworks中结合金枪鱼的运动与形体特征建立鱼体模型和回转体机器人模型,并将建立的模型转换格式后导入Fluent软件中,在来流方向设置为与模型方向相平行的流场中进行有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用RNG两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。计算结果表明,与常用的回转体型水下机器人相比,仿金枪鱼可有效的减小其在水中航行的阻力,提高推进效率。而且,仿生机器鱼在设计中应着重于头部、尾鳍及鱼体流线型部分的设计,其中为最大程度上减小仿生机器鱼运动时的阻力,应更侧重于仿生机器鱼体的流线型外形的优化设计。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,对于减小运行阻力、提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较高的指导意义。     

线驱动自主巡游机器人设计及试验研究

设计了一种拉线机构驱动的仿鱼型自主巡游机器人,阐述了其机械结构、电路系统及控制算法的设计方案,同时开展开敞水域试验对其游动性能进行研究。研究表明,在直行及转弯试验中,当摆尾频率相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的游动速度上升;当尾鳍摆动幅度相同时,随着摆尾频率的增加,机器鱼游动速度先升后降,且在0.60 Hz附近时达到峰值;在目标角度转向试验中,当摆尾频率及目标角度相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的角度响应时间逐渐减小;当尾鳍摆动幅度及目标角度相同时,随着摆尾频率的增加,角度响应时间先降后升;当摆尾频率及摆动幅度相同时,目标角度的增加会使得角度响应时间呈上升趋势。研究成果验证了该机器鱼平台的可靠性,为将来进一步理论研究及实际应用提供了一定的参考。     

摆动尾鳍水动力性能的试验和数值研究

鱼类能够在水下高速度、低噪音、高效率地游动。鱼类出色的推进性能通过其摆动尾鳍实现。这种摆动尾鳍推进方式已经用在了水下无人航行器上。因此研究摆动尾鳍的水动力性能是非常有意义的。对摆动尾鳍的推进水动力性能进行了详尽的研究。设计、装配了一套仿尾鳍推进系统,并对其进行了相应的水动力试验。在试验中研究了运动参数对摆动尾鳍水动力性能的影响。与此同时,采用基于雷诺平均N-S方程的数值方法对摆动尾鳍的水动力性能进行了研究。在数值计算中采用了k-ωSST湍流模型和有限体积法。数值计算结果和水动力试验结果进行了比较。对尾鳍表面的压力分布和流场中的尾涡结构进行了分析。水动力试验和数值计算都表明摆动尾鳍可以产生推进力和较高的推进效率。     

仿蝠鲼航行器游动规律智能控制与优化方法

固化的游动策略导致仿生航行器难以在变化的水下环境中保持高效率运动,以仿蝠鲼航行器为研究对象,提出了基于深度强化学习的仿生航行器胸鳍摆动智能控制方法,实现了航行器对高效摆动规律的自适应控制和优化。仿真示例表明：与初始给定的游动策略相比,优化后的游动策略在航行速度上提升了 14.46%,在游动能效上提升了 24.48%,从而验证了该方法在仿生航行器游动规律自适应控制与优化设计中的有效性。     

鱼类泳动力学与尾鳍推进装置的设计

类似鱼、海豚尾鳍摆式推进装置的研究是机械工程原理在机械工程上的应用。鳍摆式推进装置与普通螺旋桨推进相比,具有低噪音、较好的可靠性等优点,它可用于船舶及潜水器上。本文概括的叙述了国外有关这方面的研究报告,并用鱼类游动的力学理论进行了讨论、并对鳍摆式推进装置效率设计提出了建议。     

仿鱼尾潜器推进系统的水动力分析

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景 ,对金枪鱼的月牙形尾鳍进行水动力分析。文中将金枪鱼的尾鳍处理为在做横移和摇摆的耦合运动的同时 ,以某一匀速向前运动的月牙形刚性尾翼。计算中应用了双曲面元和压力库塔条件 ,利用面元法计算分析该三维尾翼的非定常水动力性能。探讨了前进速度、横荡和摇首的幅度、频率及其相位差对推进性能的影响     

金枪鱼体后行波壁减阻机制研究

控制圆柱体或翼型的行波壁会抑制大规模的分离流动,进而减少阻力。鱼类在游动过程中经常出现行波壁,而行波壁对鱼类游动性能的影响机制尚不清楚。以金枪鱼游动为基础,耦合行波壁,采用锐利界面浸没边界法(IBM)解决摆动过程带来的大变形运动边界问题。结果表明：行波壁的出现改变了金枪鱼体后涡的形成和发展,进而改变了摩擦阻力和压差阻力的分布;耦合行波壁使得摩擦阻力的波动幅值增加,压差阻力有所减小,从而降低了金枪鱼游动过程的阻力。研究的行波壁减阻机制可应用于提高仿生机器鱼的性能,随着智能材料的发展,该机制将在仿生机器鱼的研制中体现其现实意义。     

柔性尾鳍推进装置的机构综合与优化设计

根据柔性尾鳍推进装置所需达到的性能特性要求，本文对该装置进行了机构综合与优化设计，以改善其水动力性能，提高其推进效率。     

仿鱼尾推进小型水下航行器设计与模型试验研究

以蓝鳍金枪鱼为蓝本,进行了仿鱼尾推进小型水下航行器方案设计与模型制作,包括设计主体外形、主体结构及安装形式、传动机构、尾鳍形状等。在水池中开展了自航实验,测定了尾鳍的摆幅、频率、形状及刚度对航速的影响,结果表明在相同条件下提高尾鳍摆动频率或增大尾鳍摆幅,能提高水下航行器的速度;当采用柔性尾鳍时,航行器的速度明显增加。     

纳米TiO2对菲律宾蛤仔消化腺中Cd的蓄积与生化响应的影响

随着纳米科技的发展及纳米颗粒在纺织、食品、太阳能及水处理等各行业的应用,进入水生环境的纳米颗粒对其中痕量金属的生物地球化学循环及其生物学效应的影响受到关注。本文研究了水环境中分布最广泛的纳米二氧化钛(n-TiO2)对镉(100μg·L^-1)在海洋双壳类菲律宾蛤仔体内生物利用性及生物效应的影响,通过14d的暴露实验,在环境真实浓度下研究Cd在蛤仔体内的蓄积量及毒性。暴露期间测定了蛤仔消化腺中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)、丙二醛(MDA)和金属硫蛋白(MT)等生物标志物的活性或含量,同时分析了消化腺中Cd的蓄积。暴露3d后,Cd处理组及n-TiO2+Cd处理组均观测到蛤仔消化腺内Cd含量显著升高(p<0.05),并随时间延长而不断升高。各处理组SOD活性在整个暴露周期内与同期对照组相比均无显著差异。CAT(3d)和GST(7、14d)活性仅在Cd处理组出现显著升高(p<0.05)。Cd处理组在暴露结束时出现MDA含量的显著增加;n-TiO2单独及联合处理组MDA含量显著上升出现在7d后,至暴露结束时与对照组无显著差异。随暴露时间的延长,只有Cd处理组中蛤仔消化腺MT的含量呈现显著升高。结果表明,相同浓度条件下,Cd对蛤仔的亚致死毒性高于n-TiO2,而n-TiO2能够通过抑制Cd的生物积累而减轻后者对蛤仔的毒性,这种影响与n-TiO2对Cd的吸附作用有关。     

性类固醇激素在虾夷扇贝性腺发育周期的分布

性类固醇激素不仅在脊椎动物性别分化、生殖、发育等过程中发挥重要作用,在部分软体动物中也参与生殖调控。本文分析了3种主要性类固醇激素(孕酮、睾酮和雌二醇)在虾夷扇贝性腺发育过程中的变化情况。首先通过组织学方法确定虾夷扇贝性腺4个发育阶段的周年分布:休止期(7—9月)、增殖期(10—12月)、生长期(1—2月)、成熟期(1—6月)。之后,采用酶联免疫吸附实验测定虾夷扇贝性腺各发育阶段中性类固醇激素的含量。结果表明,性腺中激素含量呈现孕酮>雌二醇>睾酮,它们分别约占激素总含量的60%、30%、10%;精巢中3种激素含量均呈显著正相关,但卵巢中仅孕酮和睾酮之间显著相关;研究还发现,虽然3种激素含量在性别、发育阶段之间差异均不显著,但睾酮比例和雌二醇/睾酮在生长期的精巢和卵巢之间差异显著,精巢睾酮比例高于卵巢,而卵巢的雌二醇/睾酮高于精巢。以上结果表明,性类固醇激素很可能参与虾夷扇贝生殖调控,在性腺发育、配子发生过程中发挥重要作用。     

应用酵母双杂交系统筛选虾夷扇贝FOXL2的相互作用蛋白

FOXL2是脊椎动物的雌性决定基因,在多种无脊椎动物中也被认为是雌性决定与分化的关键基因,但其在无脊椎动物中的作用机制目前尚不清晰。本文利用Clontech酵母双杂交系统筛查虾夷扇贝FOXL2的相互作用蛋白。研究首先构建诱饵质粒pGBKT7-FOXL2,并检测诱饵蛋白的毒性及自激活活性,结果显示诱饵蛋白对酵母菌株无毒,也无自激活活性。利用该诱饵质粒,本研究从虾夷扇贝酵母双杂交cDNA文库筛选得到17个阳性克隆,测序验证得到12个读码框正确的阳性克隆,它们来自4种蛋白:COP9信号复合体亚基5、钠/钾ATP酶β3、哺乳动物室管膜相关蛋白1和胰脂肪酶相关蛋白2。研究进一步将诱饵质粒与4种蛋白的猎物质粒进行共转化验证,结果均为阳性,表明这4种蛋白与虾夷扇贝FOXL2都可能存在相互作用。本文为研究FOXL2在无脊椎动物性别决定与分化中的作用提供了参考。     

太湖钩虾种群时空分布特征及与环境因子关系分析

在对太湖湖滨带钩虾种群空间分布前期调查的基础上,于2013年4月、8月和11月对太湖底栖动物钩虾种群的分布和水质情况进行了调研。钩虾种群密度在太湖水域空间上表现出明显的差异性,其高值区域出现在太湖的西北部,且随季节变化较大,其中,冬季钩虾种群密度最高。通过主成分分析(PCA)筛选出影响太湖水质的主要指标为氮和磷(方差解释率为52.2%),相关分析表明钩虾种群密度对数值与第一主成分氮和磷呈正相关,而与第二主成分透明度呈负相关。研究表明钩虾种群空间分布的差异与氮磷水平关系最密切,其次是透明度。     

地震资料中柱状流体运移通道形态参数及其地质意义

深部流体在向上运移的过程中,能够形成垂直-近似垂直的柱状通道,如气烟囱构造、流体逸散管道等。利用高分辨率地震资料,能够直观地对这些柱状地球物理异常进行精细的描述与刻画,从而统计其形态参数。综合不同海域的研究成果,本次研究系统总结归纳了柱状流体运移通道的8个重要参数,分别是发育层位、终止层位、平面形状、直径、高度和宽高比、反射偏移、椭圆率、拟合椭圆方位角。形态参数分别与通道群在平面上的展布方位、特殊的海底异常地貌(如海底麻坑、丘状体等)、深部构造发育与分布(如底辟、断层等)等进行耦合关联,能够进一步揭示柱状流体运移通道的地质含义。可将形态参数分为:(1)从形态学上对柱状通道进行直接分类的参数;(2)指示柱状通道形成诱发因素或形成过程的参数;(3)划分柱状通道幕式流体活动及期次的参数;(4)定义柱状通道中流体活动时间区间的参数;(5)间接反映柱状通道中流体通量相对大小的参数。实际研究过程中,单一形态参数难以准确反映出复杂地质背景下柱状通道的真实地质含义,多参数组合、相互对比验证,能够更好地对柱状流体通道的地质含义做出综合分析。     

海底玄武岩中次生组分HCl溶解实验研究

次生组分沉淀是海底岩石中普遍存在的现象,次生组分去除是减少次生组分干扰、获取海底岩石高质量数据的关键。选择西太平洋麦哲伦海山区MK海山相对新鲜的玄武岩作为研究对象,经研磨、均一化后将粉末样品分为49份,其中48份分别以0.25,0.50,1.00,1.50,2.00,2.50 mol/L六种浓度的足量HCl溶解0.5,1,2,4,8,16,32和64 h后,选取溶解残渣测定主要氧化物和特征微量元素质量分数,确定HCl溶解法在去除次生组分的同时不会对海底新鲜玄武岩中原生组分造成影响的HCl浓度-时间组合。结果表明,在HCl浓度为1.00～2.50 mol/L,溶解时间为0.5～2 h的12种HCl浓度-时间组合均可保证海底玄武岩中原生组分的安全,并可有效去除次生组分。综合海底蚀变玄武岩次生组分去除实验研究,推荐使用1.00～2.00 mol/L HCl,溶解时间在0.5～1 h的实验方案。     

无人水下智能海洋测绘装备的机遇与挑战

针对海洋测绘面临的问题,分析了无人时代海洋测绘技术的发展机遇,提出了无人水下智能海洋测绘的新模式,讨论了无人水下智能海洋测绘的技术体系和无人水下智能海洋测绘装备的关键技术,以及无人水下智能海洋测绘的装备产业链,展望了无人水下智能海洋测绘装备的发展趋势及应用前景。     

海洋气候数据集生成与分析简介

科技部的"十三五"重点研发计划项目"全球气候数据集生成及气候变化关键过程和要素监测"中资助了"海洋气候数据集生成与分析"课题,针对全球气候变化研究对全球海洋环境数据的需求,该课题拟基于国内外多源卫星遥感数据和现场观测资料,发展与全球气候变化相关的海面能量平衡、海洋动力环境参数与过程、海洋水色和海冰等数据产品生成技术,构建全球海洋气候数据集产品生成系统,生成我国首套长时间序列、高精度、高时空一致性的全球海洋气候数据集,为全球气候变化研究与应对提供海洋数据支撑和服务,提升我国在全球气候变化关键过程和要素方面的监测能力。     

双酚A及其类似物对哺乳动物和鱼类神经毒性效应及机制研究进展

双酚A及其类似物双酚S、双酚F、双酚AF和卤代双酚A等双酚类化合物广泛用于生产聚碳酸酯塑料和环氧树脂,生产量大且目前在各种环境介质、食品及人体内均有检出。近年来,研究发现很多神经疾病的发生与双酚类化合物的暴露密切相关,有关双酚A及其类似物的神经毒性日益受到国内外研究者关注。本研究从对动物行为、神经发育、神经递质含量及神经递质代谢等方面综述了双酚类化合物的神经毒性效应及作用机制,为今后进一步探究双酚A类似物的神经毒性作用及其安全性评价提供更多的理论参考。