2019-08-12 07:18:02
研究水下行走物理学

大约3.6亿年前,生物从水中跋涉到旱地,成为第一个陆生动物。动物对土地的殖民化可能是生命历史上最伟大的进化事件之一,但我们对这一事件的物理学的理解是有限的。来自阿克伦大学(UA)的Henry Astley教授寻求答案。

确定哪些力量决定水下行走将回答进化问题,提供对当今动物的洞察力,并为工程师提供有价值的信息,从而产生更高效和优雅的水下步行机器人。这些机器人可以有无穷无尽的应用,帮助从水下钻井到紧急救援到勘探。

在他们踏上干旱的土地之前,动物们在水下行走很久。阿斯特利希望更深入地了解这个行为的前身,这就是他开始研究这个科学谜团的新项目的原因。阿斯特利已获得美国国家科学基金会(NSF)颁发的297,267美元两年期EAGER(探索性研究早期概念补助金)资助,以协助他在这些未知水域中的旅程。他的项目“第一步:水下行走的动态和控制”获得了EAGER资助,该资助由NSF用于支持其未经测试但潜在的变革性研究思路或方法的早期阶段的探索性工作。

阿斯特利是生物学和高分子科学的助理教授,他的实验室专注于非结构地形动物运动的生物力学。作为UA着名的Biomimicry研究和创新中心(BRIC)的教员,Astley研究动物是为了解决人类问题。

阿斯特利说:“没有人真正钻研过水下行走的物理学。”水下步行可以解释为陆地步行和游泳的组合。这种独特的运动融合为研究人员带来了挑战。

在水中,动物在一个环境中游泳,在这个环境中,通过浮力和通过水力相互作用的推进来支撑它们的体重 - 通过推开周围的水。在陆地上,动物因重力而面临更大的限制。它们必须由肢体支撑或拖过陆地表面,尽管通过基质相互作用推动 - 推动或拉过陆地。因为水下步行是两种机车技术的结合,一种“奇怪的物理组合”,根据阿斯特利的说法,目前还不清楚这些动物面对的主要力量是如何相互作用的。

为了解水下行走的基线物理特性,由综合生物科学博士生Kaelyn Gamel领导的Astley及其团队将研究西班牙罗纹蝾螈的水下行走。为了收集有效力的数据,蝾螈将穿过放置在标准鱼缸底部的浸没式力传感器系统。

“机器人正在走出装配线并进入自然界,”阿斯特利说。他的研究是优化这种转变的重要的第一步。

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