水下仿生推进机理

海洋中蕴含丰富的食物、矿产等资源，促使人类不断探索海洋奥秘。为了充分利用海洋资源，各种船只、潜水艇及水下机器人等被广泛地使用，虽然这些水上及水下作业的机器已经拓展了人类的生存空间，但是其低效率的缺陷也迫使人类不断探索新的水下推进技术。“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”。经过亿万年的自然进化，鱼类获得了快速高效和高机动的游动性能，其推进性能远超过目前各种人造水下航行器。鱼类独特的游动方式给人类带来了无限的梦想和启示，为人类研制高性能水下推进器提供了新的设计思想和研究理念。
目前，针对鱼类等水生动物的仿生推进研究是当今仿生领域的研究热点之一。科研工作者不断地明晰鱼类游动机理和游动模式，分析鱼类游动的运动形态、结构特点以及高性能推进机理，仿生学者尝试从生物力学、流体力学﹑机械学和最优控制等角度来探索鱼类的水下高性能推进机制，并希望借鉴到水下航行器的研制中，提高当前水下航行器的推进性能。
近十年，随着科技发展带来的技术革新，越来越多的大学和研究机构纷纷加入仿生领域的研究队伍中，快速推动了水下仿生领域发展，研制的仿生机器鱼游动性能也得到了极大提升。当前仿生学者针对水下鱼类游动性能的研究不再局限于自然观测和简单行为模仿，而是逐渐向感知结构材料控制一体化方向发展。本书旨在汇集作者近年来在水下仿生推进机理方面的研究成果，以摆动推进鱼类的复合波动模式为出发点，从鱼体动力学特性和流固耦合特性两方面来分析仿生推进机理，研究成果反映了国内外机器鱼研究的最新进展，以推动水下仿生机器鱼的未来研究和工程应用。
本书是作者在总结水下摆动推进仿生理论和技术方面的研究成果及课题组多年科研实践经验的基础上撰写而成的，其中部分内容是已经公开发表的学术论文，部分内容则是作者对水下仿生机理的深度思考和见解。全书共分7章。第1章介绍了鱼类游动仿生学的研究背景和意义，概述了摆动推进鱼类仿生机理和样机研制的研究现状。第2章以鱼类复合波动推进为出发点，从运动学角度探索鱼游的运动仿生机理。第3章建立了多刚体串联的鱼体游动模型，并研究了鱼类动力学特性对推进性能的影响。第4章和第5章从鱼类动力学角度出发，以超冗余串并联结构和黏弹性梁为基础，分别建立鱼游动力学模型，分析了仿生机理的变刚度和复模态动力学特性。第6章介绍了分析鱼类游动的LSIB数值方法，该数值方法适合分析具有复杂运动边界的流固耦合特性。在此基础上，第7章建立了鱼游的CFD模型，从流体力学的角度研究了仿生摆动推进的游动机理。
在水下仿生推进机理研究和本书编写过程中，科研团队的同事、博士生及硕士生参与了部分章节的资料整理工作，在此表示感谢。特别感谢我博士期间导师姜洪洲教授和博士后期间导师张为华教授的悉心指导。两位导师学识渊博，治学态度严谨务实，工作作风精益求精，为人谦和，严于律己、宽以待人，朴实无华、平易近人的人格魅力一直是我前进路上的指明灯，伴随并影响我一生。感谢课题组田体先博士、李康康博士、黄群、聂东豪、顾兴士、郭江峰、李永强和陈炳兴等给予的帮助和支持。感谢美国明尼苏达大学的Lian Shen教授、邓冰清博士、William Hao博士、Elliot博士、Lin博士和Tao博士，清华大学航空航天工程学院黄伟希教授，中科院力学所杨晓雷研究员和杨子轩研究员，哈尔滨工业大学何景峰老师、佟志忠老师、黄其涛老师、张辉老师和彭敬辉博士等对研究工作的指导与帮助。同时，特别感谢国家自然科学基金（No.51275127,No.12002097,No.12262006）和贵州省科技厅自然科学基金（No.2021［266］）等项目资助。
本书的编写得到众多国内外专家的亲切关怀和广大读者的热情支持与帮助。仿生机器鱼的研究仍处于快速发展时期，作者对许多问题仍未深入研究，一些有价值的新内容也来不及收入本书。由于作者知识和水平有限，加上编写时间较紧，书中错误之处在所难免，希望各位专家和读者批评指正。
作者
2022年5月

鱼类以其快速、高效和高机动性的运动方式吸引了国内外研究者的关注，对其运动机理进行研究可为水下仿生航行器的设计及工程应用提供理论基础。结合作者及所在课题组近年来的研究进展，本书详细论述了水下仿生推进机理的动力学特性与数值模拟研究情况。

崔祚，男，1988年出生，副教授，国防科技大学博士后，博士毕业于哈尔滨工业大学，主要研究方向包括仿生机器人、计算流体力学和水下发射技术等，现主持参与国家自然基金项目、国防军科委特区项目、军科委基础加强项目以及其他省部级10余项，发表SCI论文20余篇，发明专利5项。担任《Scientific Reports》、《Journal of Bionic Engineering》、《IEEE Robotics and Automation Letters》、《Journal of Mechanical Science and Technology》、《Applied sciences-Basel》、《Advances in Mechanical Engineering》和《Biology Open》等国际期刊、《机械工程学报》和《水下无人系统学报》等国内期刊以及多种国际会议审稿人。

近年来并未出现仿生机器鱼最新研究进展的专著报道，本专著从鱼类游动机理的动力学和CFD研究出发，结合所在课题组近十年的研究进展，理论创新性较强，该专著很多内容均为仿生水下机器人目前研究的热点问题。