流动诱导的脊背-腹部形变提升了柔韧尾鳍的推进效率
流体动力学
2026-04-16 v2 生物物理
摘要
鱼类以柔韧鳍鳍划水，与工程车辆刚性推进器形成鲜明对比。通过流固相互作用动力学的数值仿真，我们发现柔韧尾鳍的脊背-腹部形变可使尾鳍游动效率提升70%，而产生相同推力的刚性鳍鳍效率较低。通过将鳍鳍形变与流体力学相关联，我们发现，刚性鳍鳍的高能耗主要归因于其易产生大幅侧向力。相比之下，柔韧鳍鳍通过形变实现局部的力量重定向，将鳍鳍上的压力力导向前后方向和脊背-腹部方向，从而降低产生推力力的能耗需求。这些形变发生在尾拍周期中鳍鳍受到大幅侧向速度和压力差时，这有助于降低柔韧鳍鳍消耗的总功率。如此，柔鳍鳍的柔韧性为高效运动提供了一种简单而优雅的解决方案，无需依赖鱼类神经系统或水下车辆中计算机的感知、计算和控制。由此产生的流动诱导的脊背-腹部鳍鳍形变为尾鳍游动器提供了机械智能，赋予其推进优势，也为工程化系统的高效推进提供了解决方案。
引用
@article{arxiv.2503.23652,
title = {Flow-induced dorso-ventral deformation enhances propulsive efficiency in flexible caudal fins},
author = {Sushrut Kumar and Matthew J. McHenry and Jung-Hee Seo and Rajat Mittal},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.23652},
year = {2026}
}