長竹蟶逃逸游動觀察研究獲獎科研報告

長竹蟶逃逸游動觀察研究獲獎科研報告

摘

要：竹蟶以穴居為主，主要利用其斧足挖掘洞穴。在食物、環(huán)境等發(fā)生變化時，竹蟶也會出現(xiàn)逃逸游動行為。本文通過高速相機觀察到長竹蟶在逃逸游動時，其斧足會鞭動擺動。通過這種方式長竹蟶得以在短時間內(nèi)快速前進(jìn);通過計算得知長竹蟶的游動速度跟其大小正相關(guān)，成年長竹蟶游動速度能達(dá)到每秒12倍體長。該研究豐富了竹蟶行為學(xué)特征數(shù)據(jù)，對竹蟶人工養(yǎng)殖、海洋捕撈、近海生態(tài)環(huán)境恢復(fù)以及水下仿生機器人研制都有參考價值。

關(guān)鍵詞：竹蟶;斧足;游動

00Q811

Abstract：TheSolenstrictusaremainlycavedwellers，usingtheiraxefeettodigcaves.TheSolenstrictusalsoexhibitescape-swimmingbehaviorwhenchangesinfood，environment，etc.occur.Inthispaper，theSolenstrictuswerecapturedonahigh-speedcameraastheyescaped，anditwasfoundthattheSolenstrictuswhippedwhilethewateroutletbetweenthefootandthecoatmembranesprayedwateroutwards.ThiskindofpropulsionallowstheSolenstrictustoadvancerapidlyinashortperiodoftime.ItiscalculatedthattheswimmingspeedofSolenstrictusispositivelycorrelatedwiththeirsizeandthattheadultSolenstrictuscantravelupto12timestheirbodylengthpersecond.ThisstudyenrichesthedataonthebehavioralcharacteristicsofSolenstrictusandisofinteresttoSolenstrictusinartificialfarming，marinefishing，offshoreecologicalrestorationandunderwaterbionicrobotdevelopment.

Keywords：Solenstrictus;Foot;Swimming

1引言

仿生水下機器人在海洋資源探索與開發(fā)、海洋軍事安全、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護等領(lǐng)域有極為重要的應(yīng)用[1-3]，有關(guān)水下仿生機器人的研究也是目前的研究熱點。水下生物的種類非常多，各類生物在水中的運動模式不盡相同。魚類的波狀擺動推進(jìn)運動研究最早、最多，也是水下生物最廣泛的一種運動方式，主要是依靠身體橫向扭曲，往復(fù)擺動，以橫波的方式從前向后傳播運動[4]。目前國內(nèi)外研究者已經(jīng)從理論分析、數(shù)值模擬、試驗觀測等多個方面對魚類的推進(jìn)機理進(jìn)行了大量研究[5-8]。此外還有以海龜、蝦、蟹等生物的其它運動模式及相應(yīng)的研究[9]。

竹蟶是一種雙殼軟體動物，以穴居為主，通過殼的開合配合其斧足運動，可以在泥沙質(zhì)海灘挖掘洞穴，在洞穴中上升和下降。除挖掘行為以外，有些種類的竹蟶還也可以進(jìn)行彈出式游泳[10-11]，比如大竹蟶（SolengrandisDunker）、長竹蟶（SolenstrictusGould）、愛爾蘭大竹蟶（EnsisSiliqua）、北美莢蟶（Siliquapatula）、尖刀蟶（CultellusscalprumGould）[12]等。這是一種非常獨特的運動方式，竹蟶以這種運動方式實現(xiàn)了快速游動。有關(guān)于竹蟶斧足挖掘方面的研究報道較多，目前已有對竹蟶斧足挖掘功能的仿生研制，比如Winter等人制作了一款機器人——RoboClam[13-14]。但是，關(guān)于竹蟶游動方面的研究以及針對竹蟶獨特的游動行為方面的仿生研究均未見報道。竹蟶的挖掘和游動行為都是極具特點，這為仿生機器人的研究提供了非常好的參考借鑒。

本文以長竹蟶為研究對象，主要探究長竹蟶逃逸游動時的運動特性。通過高速相機觀察長竹蟶的逃逸游動過程，對不同大小的長竹蟶進(jìn)行逃逸游動觀察，逐幀分析獲得其游動速度及加速度數(shù)據(jù)。通過該研究可以豐富竹蟶行為學(xué)特征數(shù)據(jù)，同時對水下仿生機器人研制有重要參考價值。

2材料與方法

試驗使用的長竹蟶采集自河北省秦皇島市南戴河區(qū)葡萄島近海沙灘，在退潮期進(jìn)行挖掘，選取外殼無任何損傷的長竹蟶，放入帶砂子和海水的魚缸，帶回實驗室暫養(yǎng)3天。由于海水溫度較低，水溫按每兩小時增加3℃的方式增加到（20.0±1.5）℃，暫養(yǎng)期間保持繼續(xù)供氧。試驗用蟶子規(guī)格：成年長竹蟶（2只），殼長（10±0.3）cm，體重（45±0.3g），稚蟶（2只），殼長（5.3±0.2）cm，試驗長竹蟶在試驗前禁食24h。

用丙烯酸塑料材料制作透明水槽，尺寸100×30×30cm，在水槽內(nèi)堆入一層沙子，厚度1cm，再置入海水，深度15cm，海水中溶解氧大于0.6mg/L左右。在水槽上方安裝數(shù)字?jǐn)z像儀（SL-6320AK），以拍攝長竹蟶的游泳視頻，實驗裝置如圖1所示。

將長竹蟶從水中拿出10s再放入試驗水槽，由于環(huán)境變化會刺激長竹蟶從而發(fā)生逃逸行為，對長竹蟶的逃逸行為進(jìn)行高速相機拍攝。對成年長竹蟶和稚蟶均各做2次試驗。對拍攝的視頻進(jìn)行比較，提取典型運動過程，進(jìn)行逐幀分解，分析長竹蟶逃逸游泳速度、加速度。

3試驗結(jié)果及分析

3.1長竹蟶斧足鞭動彈射過程

長竹蟶一般穴居在泥沙里，當(dāng)食物、鹽度等環(huán)境因素發(fā)生劇烈變化時，會從洞穴里鉆出來，通過斧足彈射游動逃離，以尋找更為適宜的棲息地。另外，長竹蟶一般會選擇挖掘鉆洞以躲避危險，但是，當(dāng)長竹蟶無法通過挖掘逃逸時會選擇游動方式。長竹蟶開始游動時，斧足伸出殼外并向一邊逐漸彎曲，長度逐漸伸長。此時，長竹蟶速度基本不變，當(dāng)斧足達(dá)到最大伸長量一半時，開始像鞭子一樣突然向另一側(cè)擺動。在鞭動過程中斧足長度仍然在伸長，斧足擺動到與殼長方向一致時開始向殼內(nèi)收縮。這時長竹蟶開始滑行，斧足跟殼體保持在同一條直線以減小游動阻力，增加游動距離。圖2（a）和圖2（b）給出了從高速錄像中摘錄的部分畫面以及畫面對應(yīng)的時刻。通過斧足的彈射游動，長竹蟶可以在短時間內(nèi)快速移動至比較遠(yuǎn)的距離。長竹蟶滑行速度下降到一定程度或者靜止時，會再次重復(fù)上述過程。

3.2運動速度計算

分解高速相機拍攝到的長竹蟶逃逸游動視頻，得到逐幀圖像。手動標(biāo)記長竹蟶斧足與殼交界處點的位置，可得相鄰兩幀之間的移動距離di，已知相鄰兩幀之間的時間間隔t，可得速度Vi=di/t，進(jìn)而可得加速度ai=（Vi+1-Vi）/t，如圖3所示，平均加速度a=（a1+…+an）/n（n為總幀數(shù)，i=1，2，…，n-1）。計算得到的從靜止到最大速度（Vmax）之間的所有速度的平均值為疾沖速度，最大速度（Vmax）到停止之間的所有速度的平均值為滑行速度。如圖4所示。

通過對逐幀圖像進(jìn)行描點標(biāo)記，分析計算出的成年蟶和稚蟶的最大速度、疾沖速度、滑行速度和加速時間，如表1所示。

通過表1及圖4可知滑行速度跟流體阻力相關(guān)，長竹蟶個體小，阻力也小。最大疾沖速度跟體形相關(guān)，體形大速度快。成年蟶和稚蟶的加速時間接近，說明加速時間跟體形無關(guān)。成年蟶疾沖速度達(dá)到48cm/s，接近烏賊最大穩(wěn)定游動速度[15]。最大速度可以達(dá)到11.8BL/s（118cm/s），超過多數(shù)頭足類水下軟體生物，這完全不同于人們對貝類速度慢的認(rèn)識，可見斧足鞭動彈射式推進(jìn)是一種極具優(yōu)勢的水下推進(jìn)方式。

分析可知成年蟶的最大加速度74.8BL/s2（747.5cm/s2），稚蟶的最大加速度78.6BL/s2（408.7cm/s2），即可知長竹蟶游動的加速度跟體形沒有關(guān)系。斧足的鞭動式擺動能給長竹蟶的運動提供強大的動力。如圖3所示。