受蜥蜴( Basilisk Lizard )启发的串列扑翼箔(Tandem Flapping Foils)：一种水面运载器的推进方法

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Basilisk Lizard-Inspired Tandem Flapping Foils: A Propulsion Method for Surface Vehicles

　　

工程领域的流体运动策略通常旨在最小化阻力(Drag, D)，而生物系统常利用阻力产生推力。传统减阻方法在进一步降低船体阻力方面面临挑战，船体阻力仍是主要阻力来源。受威胁时，蛇怪蜥蜴(Basilisk Lizard)用后肢拍打水面产生反作用力使身体抬离水面并减少阻力——研究人员将此策略应用于水面运载器。本研究提出一种配备串列扑翼箔阵列(Tandem Flapping Foil Array)的水面运载器，采用非对称运动学(下拍攻角55°–85°，上拍攻角5°–40°)将箔片阻力重定向为船体升力，实现从船体承载模式(Hull-borne Mode)向箔承载模式(Foil-borne Mode)转换，可维持"水上奔跑(Water-running)"超1小时。箔片运动将箔片阻力转化为船体升力使船体抬出水面从而减少船体水动阻力。相同2 kg载荷下，相比船体承载模式(船体浮于水面)，所提箔承载模式使单位行程能耗从331 J/m降至165 J/m，最大航速从0.77 m/s提升至1.65 m/s。该方法通过利用箔片阻力实现减阻，论证了阻力利用(Drag Utilization)概念，结果为水面推进及相关工程应用提供潜在设计思路。

论文解读：受蜥蜴启发的串列扑翼箔水面运载器推进方法研究

研究背景与意义

传统水面运载器的船体阻力(Hull Drag)占总阻力的85%–98%，常规减阻手段（如船型优化、流控装置）仅能降低约15%–20%且已近瓶颈，存在能量—速度权衡困境。自然界中生物（如蛇怪蜥蜴Basilisk Lizard、??Grebe）可将流体阻力(Drag, D)重新分配为升力(Lift, L)与推力，蛇怪蜥蜴以55°–75°攻角拍击水面产生脉冲阻力使身体抬离水面以减少阻力。现有仿生设计多将阻力视为耗散损失而非资源。为此，Yiping Zhang、Bing Kang、Li Xu、Xingwang Zhang、Mingxiang Xie、Wenting Liu来自南昌江西水利电力学院电气工程学院，开展此项受蛇怪蜥蜴与??启发、将箔片阻力转化为船体升力的串列扑翼箔(Tandem Flapping Foils)水面运载器研究，验证阻力利用(Drag Utilization)概念并评估其推进性能，论文发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》。

主要关键技术方法

研究人员设计并制作了搭载六片串列扑翼箔（展长20 cm、弦长7 cm、PMMA材质）的水面运载器原型，由12 V 200 W直流电机经曲轴—连杆—前后推力杆机构驱动箔片作俯仰—升沉(Pitching-Heaving)复合运动；通过调节前后推力杆的曲轴相位差(Phase Difference, Δβ)及杆长差(Length Difference, L_T)设定非对称攻角（下拍55°–85°，上拍5°–40°）实现箔承载模式(Foil-borne Mode)切换；在静水湖泊（风速<3 m/s，水温18±1℃）中以2 kg加载与零负载条件开展实航测试，以常规螺旋桨（直径100 mm三叶定距）为对照，采用高精度电压电流传感器、GPS速度传感器实时采集功率与航速，计算单位行程能耗(Energy per Meter = Power/Speed)，每组实验重复六次取均值，并以Student's t检验进行显著性分析；建立基于曲柄—连杆运动学方程与箔片升力阻力系数经验公式(C_L=2A_Lsinα cosα, C_D=A_Dsin²α)的Matlab/Simulink水动力模型分析相位差与杆长差对水动力的影响。

研究结果

2. Biological Inspiration: Water-Running Using Tandem Foils

研究人员类比蛇怪蜥蜴与??水上奔跑行为，定义两种可切换运行模式——船体承载模式(Hull-borne Mode)：船体浸水靠常规航行；箔承载模式(Foil-borne Mode)：箔片产生净升力将船体抬离水面仅靠水平舵触水。据此设计曲轴—连杆驱动的串列多箔协同拍动机构模仿??多鳍协调推进以平抑单箔推力脉动。

3. System Design and Working Principle

研究人员详述推进装置组成（驱动电机、联轴器、机架、曲轴、连杆、前后推力杆、扑翼箔），箔片由前后推力杆分别连接前缘与后缘，曲轴相位差使箔片在拍动中产生自动攻角变化；下拍时前推力杆位移大于后推力杆产生垂直升力分量与水平推力分量。船体采用轻质泡沫木材以降低重量，通过移动尾部电池包调整横倾角实现倾斜转向（原理样机验证方案）。增大后推力杆长于前推力杆可使下拍攻角增大、上拍攻角减小，将箔片阻力转化为船体抬升升力，攻角范围经预实验确定为相位差>40°可稳定进入箔承载模式。

4. Methods

实验在2025年9月静水湖面进行，同船体同电机同电池分别测试扑翼箔系统与对照螺旋桨；攻角设定依据预实验临界条件确定；能量消耗由实测电压电流与GPS速度计算；运动学建模推导了推力杆位移(AA₁≈R[(1?cosβ)+R/(4L)(1?cos2β)])、箔片速度(V_F)、摆角(α_s)与来流相对攻角(α=π/2?α_s?arctan(U/V_F))，以及基于流体密度ρ、来流速度V、箔面积A_H的升力(L_F=1/2 ρV²A_HC_L)与阻力(D=1/2 ρV²A_HC_D)，并建立六自由度刚体运动方程(M_RBv?+C_RB(v)v=τ)。

5.1. Energy Consumption and Speed Characteristics

零负载时箔承载模式瞬时功率(264 W)高于船体承载模式(175 W)，但单位行程能耗更低(143 J/m vs 168 J/m)且航速更高；2 kg负载时船体承载模式能耗升至331 J/m，箔承载模式维持165 J/m，最大航速由0.77 m/s提至1.65 m/s。稳态能量平衡分析表明箔承载模式船体阻力降约一个数量级，箔拍动附加功耗远小于船体阻力节省的能量，实现约50%节能。物理机制为非对称运动学使下拍大阻力产生斜向上前方合力——垂直分量为船体抬升升力，水平分量为附加推力，被利用的阻力避免了更大的船体摩擦耗散。

5.2. Foil-Borne Maneuverability

箔承载模式下通过调整水平安定面攻角产生恢复力矩控制航向，前进速度1.2 m/s时稳态回转半径约2 m，满圈耗时约10 s，重复测试响应一致。

5.3. Comparison with Conventional Propeller

相同条件下零负载时螺旋桨能耗180 J/m、扑翼箔165 J/m；2 kg负载时螺旋桨420 J/m、扑翼箔360 J/m。扑翼箔作用面积(840 cm²)远大于螺旋桨(105 cm²)，加速响应更快，单位行程能耗低于对照螺旋桨。

5.4. Hydrodynamic Characteristics of the Flapping Foil

增大前后推力杆相位差Δβ使最小攻角减小、升力系数C_L与升力增大、阻力系数C_D与阻力减小，可调出力；增大前后杆长差L_T使下拍攻角增大上拍减小，下拍C_D与D增加、上拍降低，净垂向阻力转为船体升力；六片箔均布相位(0–2π)使总升力与总阻力波动平滑，抑制船体纵摇。

讨论与结论翻译

讨论指出本研究将范式由传统减阻转向主动利用阻力为可用资源——通过对称破缺运动学（下拍大攻角上拍小攻角）将原本周期内抵消耗散的阻力转为船体净升力从而实现箔承载减阻，并可拓展至连续水下拍动或间歇表面滑翔等多种步态；原型连续箔承载运行1小时电机温升32℃(28→60℃，低于额定85℃)，电池SOC由100%降至50%，机械部件无可见磨损，证明短时连续运行稳定性，长期耐久性主要受电池容量限制；测量不确定度源于传感器精度(电流电压±0.5%FS，速度±0.05%)与几何公差，各工况功率变异系数<3%；实验雷诺数Re≈10⁴，放大至实用尺度(Re>10⁵)需进一步验证尺度律与复杂海况适应性。

结论：受蛇怪蜥蜴启发采用非对称运动学(下拍55°–85°，上拍5°–40°)将周期阻力转为持续净升力，实现船体承载向箔承载模式转换。箔承载模式较船体承载模式最大航速提升130%、单位行程能耗降低超50%，测试条件下优于常规螺旋桨8%–14%。机理为对称破缺运动学使下拍大攻角上拍小攻角将内部耗散阻力转为可用净升力从而降低船体阻力并提升航速。当前结果基于静水淡水实验室尺度(Re≈10⁴)，放大应用需建立关联Re与斯特劳哈尔数(Strouhal Number, St)的尺度律并探索复杂环境自适应控制；未来将采用更宽扁船体配前后左右分布式独立扑翼推进模块以增强耐波性。此仿生方法为高效率高机动性水面运载器设计提供了新视角。