Lokomocja Batoida
Batoidy są nadrzędem ryb chrzęstnoszkieletowych składających się z łyżew , płaszczek i innych ryb, z których wszystkie charakteryzują się spłaszczonymi grzbietowo-brzusznie ciałami i dużymi płetwami piersiowymi połączonymi z głową. Ta charakterystyczna morfologia zaowocowała kilkoma unikalnymi formami poruszania się. Większość batoidów pływa w środkowych parach płetw, wykorzystując powiększone płetwy piersiowe. Batoidy, które wykazują średnie pływanie w parach płetw, mieszczą się gdzieś w spektrum trybów pływania, od mobuliform do rajiform, w oparciu o liczbę fal obecnych na ich płetwach jednocześnie. Z czterech rzędów Batoidae dotyczy to Myliobatiformes (promieni) i Rajiformes (łyżew). Dwa pozostałe rzędy: Rhinopristiformes i Torpediniformes wykazują większy stopień pływania płetwą ogonową ciała.
Pływanie mobilnokształtne
Pływanie Mobuliform jest powszechne u gatunków pelagicznych Myliobatiformes, takich jak manty , i charakteryzuje się trzepotaniem płetw piersiowych. Z wyglądu jest bardzo podobny do lotu u ptaków. Batoidy, które wykorzystują pływanie mobilnokształtne, można rozpoznać po ich wysokim współczynniku kształtu , grubszych płetwach piersiowych, które zwężają się ku końcowi i bocznemu profilowi przypominającemu wodolot . Są bardzo wydajnymi pływakami na wodach otwartych, zdolnymi do pokonywania dużych odległości z dużą prędkością.
Płetwy piersiowe pływającej promienia mobuliform doświadczają rozpiętości deformacji grzbietowo-brzusznej, która jest największa na końcu, oraz fali biegnącej wzdłuż cięciwy . Pływanie kinematycznie ruchome składa się z machania płetwami o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie. z mniej niż jednym przebiegiem na płetwie na raz. W celu zwiększenia prędkości promienie pelagiczne będą zwiększać częstotliwość klap piersiowych.
Jeśli chodzi o zwrotność, promienie są w niekorzystnej sytuacji w porównaniu z innymi rybami. Ich sztywne ciało zapewnia im wysoki moment bezwładności, a spłaszczony grzbietowo-brzusznie kształt utrudnia utrzymanie skrętu, ponieważ nie są w stanie zapewnić sił bocznych niezbędnych do zapobieżenia poślizgowi. Przechylanie się podczas zakrętu zostało pokazane w przypadku obu rodzajów pływania w parze z medianą i pozwala im zrekompensować brak powierzchni kontrolnej, który mieliby w zakręcie bez pochylenia. Pływacy mobuliform są zwykle tak samo zwrotni jak pływacy rajiform, mimo że ich mechanika obracania się jest inna; pierwsze poruszają się ślizgowymi zakrętami, podczas gdy drugie poruszają się przez asymetryczne falowanie płetw. Jednak niektóre gatunki, takie jak płaszczka pelagiczna, są bardziej zwrotne, ponieważ są w stanie odwrócić falę wzdłuż płetw, a nawet płynąć do tyłu.
W środowisku pelagicznym promienie napotkają fale powierzchniowe. Eksperymentalne interakcje z nadchodzącymi falami promieni Cownose wykazały, że promienie przestają pływać i tworzą dodatnią dwuścian z ich płetwami piersiowymi, co pozwala im utrzymać pozycję w słupie wody . Wykazano, że podróżując w tym samym kierunku co fala, zwiększą swoją prędkość, jednocześnie zmniejszając amplitudę swoich płetw, co wskazuje, że mogą wykorzystywać fale wędrujące do zwiększenia wydajności pływania.
Pływanie Rajiform
Pływacy rajiform poruszają się, falując dystalne części płetw piersiowych z wieloma falami obecnymi na płetwie jednocześnie. Ten sposób pływania jest używany przez denne Batoidy, które obejmują łyżwy, a także niektóre promienie. Mają wspólną morfologię o niskim współczynniku kształtu i cienkich płetwach brzusznych. , ale są jednymi z najbardziej wydajnych metabolicznie pływaków spodoustych przy niskich prędkościach.
Istnieją różnice między sposobem, w jaki łyżwy i płaszczki bentosowe wykorzystują pływanie rajiform. Rajiformes nie zawsze wykorzystuje rajiformy do pływania. Mają drugi zestaw płetw brzusznych zwanych crura po stronie brzusznej w pobliżu podstawy ich opowieści, których używają w tandemie do pchania wzdłuż podłoża, podczas gdy ich dysk pozostaje nieaktywny. Ten styl lokomocji jest znany jako punting i jest bardzo podobny do chodzenia, ponieważ wydaje się, że siła jest generowana przez bezpośredni kontakt z ziemią. Są w stanie wykonywać asynchroniczne ruchy swoimi crura, aby wykonywać skręty, co eliminuje potrzebę przechylania się podczas skrętów, co może zapewniać korzyści z ukrycia oprócz ograniczonego ruchu wody. Z analizy włókien mięśniowych wynika, że jazda na łódce może być podstawowym środkiem transportu przy niskich prędkościach (około 1/3 długości ciała na sekundę) w niektórych łyżwach, a lokomocja rajokształtna może być stosowana w określonych sytuacjach. Promienie bentosowe polegają całkowicie na lokomocji rajiform. Kolejną różnicą między nimi jest rola ogona . Łyżwy mają większe ogony z płetwami i używają ich podczas skrętów. Wydaje się, że ogony płaszczek nie służą do pływania. Niektóre płaszczki, zwane płaszczkami , mają na ogonie jadowity kolec, którym obracają się, aby się bronić.
Rozkład cienkiej grubości klatki piersiowej jest taki, że pływacy rajiform biernie czerpią korzyści z interakcji hydrodynamicznej między podłożem a ich płetwami. W związku z tym pływanie z dala od podłoża przez dłuższy czas jest niezrównoważone. Grubość płetw brzusznych jest największa w przedniej części płetwy, a najmniejsza w dystalnej części płetwy i płetwy tylnej, zwykle poniżej milimetra. Te cieńsze obszary odkształcają się pasywnie przy normalnych prędkościach i muszą być sztywne przy wyższych prędkościach, co służy ograniczeniu maksymalnej utrzymywanej prędkości u pływaków rajiform.
Pływanie płetwą ogonową ciała
torpedynokształtne
.jpg)
Większość promieni elektrycznych ma charakterystyczny styl pływania z małą prędkością, który polega na okresowym poruszaniu się w słupie wody, a następnie opadaniu z powrotem. W przeciwieństwie do Rajiformes i Myliobatiformes ich napęd pochodzi wyłącznie z ruchu płetwy ogonowej, która jest znacznie bardziej rozwinięta niż u raji i płaszczek. Część dyskowa ich ciał służy do zwiększenia ich wydajności podczas ślizgowej części ich pływania.
Rhinopristiformes
Rhinopristiformes to grupa pośrednia między rekinami a płaszczkami. Przeprowadzono niewiele badań nad ich charakterystyką pływania, ale na podstawie ich morfologicznego podobieństwa do rekinów można założyć, że polegają one głównie na pływaniu płetwami ogonowymi, a płetwy piersiowe nie generują ciągu.
Projekty inspirowane Batoidem
Batoidy mają pewne cechy, które byłyby pożądane w podwodnym bezzałogowym pojeździe . Charakter ich ruchu sprawia, że są stabilnymi platformami do przenoszenia ładunków . Zwykle są niewiarygodnie skutecznymi pływakami. Wiele gatunków płaszczek pelagicznych, a nawet niektóre bentosowe odbywają bardzo długie roczne migracje . Gatunki pelagiczne wydają się być bardziej wydajnymi pływakami z dużą prędkością, podczas gdy gatunki bentosowe są skuteczne przy niższych prędkościach. Wiele płaszczek bentosowych przystosowało się do niewiarygodnego ukrywania się, mają niski profil i powodują bardzo niewielkie zakłócenia podczas ruchu. Mają potencjał do generowania dużego ciągu; to właśnie pozwala gigantycznym mantom całkowicie oczyścić powierzchnię wody. Różnice w możliwościach wydajności każdego gatunku prowadzą do rozwoju różnych biomimetycznych automatycznych pojazdów podwodnych (BAUV). Istnieje wiele projektów opartych na pelagicznych i bentosowych batoidach, są nawet takie, które opierają się na bardziej niejasnych aspektach pływania batoidów, takich jak jeden oparty na unikalnym napędzie promienia elektrycznego płetwą ogonową ciała lub inny, który wykorzystuje płetwę widoczną w łyżwach. Jedną z rzeczy, która naprawdę wyróżnia wydajność wersji biologicznej i sztucznej, jest dopracowana elastyczność i uruchamianie dysku. Różne części dysku są znacznie bardziej elastyczne niż inne, a niektóre części są zaprojektowane tak, aby odkształcały się pasywnie. Szczególnie trudno jest naśladować mieszankę biernych i czynnych interakcji dysku rajokształtnego i podłoża. Złożone uruchamianie skrzydeł zostało z powodzeniem naśladowane za pomocą różnych środków, w tym struktur tensegrity , elektroaktywnych polimerów i płynnych mięśni. Jednak technologie te nie są rozwinięte do tego stopnia, aby mogły w pełni imitować rzeczywiste mięśnie. W tym celu wykorzystano rzeczywiste mięśnie w promieniu uzyskanym metodą inżynierii tkankowej o średnicy mniejszej niż 20 mm. Został wyprodukowany przy użyciu mięśnia sercowego szczura , które naśladowały wzór pływaka rajiform poprzez zastosowanie wzorzystych połączeń mięśni.