長(zhǎng)竹蟶逃逸游動(dòng)觀察研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

長(zhǎng)竹蟶逃逸游動(dòng)觀察研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)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(shí)，竹蟶也會(huì)出現(xiàn)逃逸游動(dòng)行為。本文通過高速相機(jī)觀察到長(zhǎng)竹蟶在逃逸游動(dòng)時(shí)，其斧足會(huì)鞭動(dòng)擺動(dòng)。通過這種方式長(zhǎng)竹蟶得以在短時(shí)間內(nèi)快速前進(jìn);通過計(jì)算得知長(zhǎng)竹蟶的游動(dòng)速度跟其大小正相關(guān)，成年長(zhǎng)竹蟶游動(dòng)速度能達(dá)到每秒12倍體長(zhǎng)。該研究豐富了竹蟶行為學(xué)特征數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)器人研制都有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：竹蟶;斧足;游動(dòng)

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(jī)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(cè)與保護(hù)等領(lǐng)域有極為重要的應(yīng)用[1-3]，有關(guān)水下仿生機(jī)器人的研究也是目前的研究熱點(diǎn)。水下生物的種類非常多，各類生物在水中的運(yùn)動(dòng)模式不盡相同。魚類的波狀擺動(dòng)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)研究最早、最多，也是水下生物最廣泛的一種運(yùn)動(dòng)方式，主要是依靠身體橫向扭曲，往復(fù)擺動(dòng)，以橫波的方式從前向后傳播運(yùn)動(dòng)[4]。目前國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)從理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)觀測(cè)等多個(gè)方面對(duì)魚類的推進(jìn)機(jī)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(yùn)動(dòng)模式及相應(yīng)的研究[9]。

竹蟶是一種雙殼軟體動(dòng)物，以穴居為主，通過殼的開合配合其斧足運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)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(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，竹蟶以這種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了快速游動(dòng)。有關(guān)于竹蟶斧足挖掘方面的研究報(bào)道較多，目前已有對(duì)竹蟶斧足挖掘功能的仿生研制，比如Winter等人制作了一款機(jī)器人——RoboClam[13-14]。但是，關(guān)于竹蟶游動(dòng)方面的研究以及針對(duì)竹蟶獨(dú)特的游動(dòng)行為方面的仿生研究均未見報(bào)道。竹蟶的挖掘和游動(dòng)行為都是極具特點(diǎn)，這為仿生機(jī)器人的研究提供了非常好的參考借鑒。

本文以長(zhǎng)竹蟶為研究對(duì)象，主要探究長(zhǎng)竹蟶逃逸游動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性。通過高速相機(jī)觀察長(zhǎng)竹蟶的逃逸游動(dòng)過程，對(duì)不同大小的長(zhǎng)竹蟶進(jìn)行逃逸游動(dòng)觀察，逐幀分析獲得其游動(dòng)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(shí)對(duì)水下仿生機(jī)器人研制有重要參考價(jià)值。

2材料與方法

試驗(yàn)使用的長(zhǎng)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(zhǎng)竹蟶，放入帶砂子和海水的魚缸，帶回實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)3天。由于海水溫度較低，水溫按每?jī)尚r(shí)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(yàn)用蟶子規(guī)格：成年長(zhǎng)竹蟶（2只），殼長(zhǎng)（10±0.3）cm，體重（45±0.3g），稚蟶（2只），殼長(zhǎng)（5.3±0.2）cm，試驗(yàn)長(zhǎng)竹蟶在試驗(yàn)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(zhǎng)竹蟶的游泳視頻，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

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

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1長(zhǎng)竹蟶斧足鞭動(dòng)彈射過程

長(zhǎng)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(shí)，會(huì)從洞穴里鉆出來，通過斧足彈射游動(dòng)逃離，以尋找更為適宜的棲息地。另外，長(zhǎng)竹蟶一般會(huì)選擇挖掘鉆洞以躲避危險(xiǎn)，但是，當(dāng)長(zhǎng)竹蟶無法通過挖掘逃逸時(shí)會(huì)選擇游動(dòng)方式。長(zhǎng)竹蟶開始游動(dòng)時(shí)，斧足伸出殼外并向一邊逐漸彎曲，長(zhǎng)度逐漸伸長(zhǎng)。此時(shí)，長(zhǎng)竹蟶速度基本不變，當(dāng)斧足達(dá)到最大伸長(zhǎng)量一半時(shí)，開始像鞭子一樣突然向另一側(cè)擺動(dòng)。在鞭動(dòng)過程中斧足長(zhǎng)度仍然在伸長(zhǎng)，斧足擺動(dòng)到與殼長(zhǎng)方向一致時(shí)開始向殼內(nèi)收縮。這時(shí)長(zhǎng)竹蟶開始滑行，斧足跟殼體保持在同一條直線以減小游動(dòng)阻力，增加游動(dòng)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(duì)應(yīng)的時(shí)刻。通過斧足的彈射游動(dòng)，長(zhǎng)竹蟶可以在短時(shí)間內(nèi)快速移動(dòng)至比較遠(yuǎn)的距離。長(zhǎng)竹蟶滑行速度下降到一定程度或者靜止時(shí)，會(huì)再次重復(fù)上述過程。

3.2運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

分解高速相機(jī)拍攝到的長(zhǎng)竹蟶逃逸游動(dòng)視頻，得到逐幀圖像。手動(dòng)標(biāo)記長(zhǎng)竹蟶斧足與殼交界處點(diǎn)的位置，可得相鄰兩幀之間的移動(dòng)距離di，已知相鄰兩幀之間的時(shí)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(jì)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(duì)逐幀圖像進(jìn)行描點(diǎn)標(biāo)記，分析計(jì)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(shí)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(zhǎng)竹蟶個(gè)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(shí)間接近，說明加速時(shí)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(dòng)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(duì)貝類速度慢的認(rèn)識(shí)，可見斧足鞭動(dòng)彈射式推進(jìn)是一種極具優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)竹蟶游動(dòng)的加速度跟體形沒有關(guān)系。斧足的鞭動(dòng)式擺動(dòng)能給長(zhǎng)竹蟶的運(yùn)動(dòng)提供強(qiáng)大的動(dòng)力。如圖3所示。