基于曲率模型的斑马鱼C型转弯和逃逸的力能学比较

摘要

斑马鱼C型起动不仅发生于逃逸响应(C型逃逸),而且发生于非逃逸响应(C型转弯)。它们具有不同的变形模式和周期,并且运动学性能各异。在相同的弯曲幅度下,C型转弯实现更大的转弯角度,而C型逃逸则具有更快的游动速度。但尚不清楚它们的水动力学机制和力能学特征。本文针对C型转弯和逃逸的变形特征,建立新的曲率模型,采用优化算法拟合模型参数。通过自主游动数值模拟,发现C型转弯实现大转弯的机制在于:弯曲阶段存在比较大的正向力矩,而回摆阶段存在比较小的反向力矩;而C型逃逸在回摆阶段存在比较大的推力,导致反向力矩增大和转弯角度变小。还发现周期对转弯角度的影响不大,但对逃逸速度和能量消耗影响显著。因此,C型转弯为了节省能量,周期通常在100ms以上;而C型逃逸为了追求高速度,周期则在50ms附近。