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CN102126546B - 波浪能 - Google Patents

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CN102126546B
CN102126546B CN201010622798.5A CN201010622798A CN102126546B CN 102126546 B CN102126546 B CN 102126546B CN 201010622798 A CN201010622798 A CN 201010622798A CN 102126546 B CN102126546 B CN 102126546B
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Abstract

一种波浪能水面航行器，其包括水面浮子、水下游动物和绳索，该绳索连接浮子和游动物，以便游动物因波浪运动而上下移动。游动物包括一个或多个鳍板，当游动物上下移动时，鳍板与水相互作用，并产生将航行器向前推进的力。航行器无需配备操作员，其能够承载通信控制设备，以便该航行器能够沿着向其发送的信号所指引的路径前进，并且该航行器还能够记录或发出来自于其上传感器的数据。

Description

波浪能
本申请是申请日为2007年1月18日，申请号为200780009693.9，发明名称为“波浪能”的申请的分案申请。 
相关申请的交叉引用 
本申请要求于2006年1月20日提交的美国临时专利申请第60/760,893号(档案JUP 001)、于2006年5月18日提交的美国专利申请第11/430 6447号(档案JUP 001-1)和于2006年9月1日提交的美国临时专利申请第60/841,834号(档案JUP 001-2)的优先权。为了所有目的，这些申请中的每一个的全部公开内容在此以引用方式并入。 
技术领域
本发明涉及利用水中波浪能量(以下称作“波浪能(wave power)”)的装置和方法。 
背景技术
当波浪沿着水面行进时，其引起水的垂直运动，但不会引起水的纯粹水平运动。垂直运动的幅度随着深度变化而以对数方式减少；在大约一半波浪长度的深度处，只存在很少量的垂直运动。同样，由风引起的水流速度也随着深度变化而显著减少。现已得出许多方案来利用波浪能做有用功。例如，可参照第986,627、1,315,267、3,312,186、3,453,981、3,508,516、3,845,733、3,872,819、3,928,967、4,332,571、4,371,347、4,389,843、4,598,547、4,684,350、4,842,560、4,968,273、5,084,630和6,561,856号美国专利。为了所有目的，这些专利中的每一个的全部公开内容在此以引用方式并入。 
发明内容
根据本发明，我们公开了新型的波浪能装置(wave-powered device)，以及利用波浪能装置的新方法。将参照水面航行器(watervehicle)来主要地说明本发明，当将水面航行器放置于具有在水面上运动的波浪的水中(以下称作“具有波浪的水(wave-bearing water)”)时，该水面航行器可在水面上行进。在这种航行器中，至少一部分波浪能使浮子(float)在水面上移动(如果还有剩余的波浪能，那么将其转化为其它有效形式，或将其消耗)。然而，当浮子被保持于某个固定位置时，例如利用锚或其它附加装置，本发明也同样有效。在优选实施方案中，本发明使得使用无人水面航行器(unmanned water vehicle)来执行一些任务成为可能，而使用人工操作的航行器来执行这些任务将是繁重、昂贵或危险的。 
在第一个优选方面，本发明提供一种新型的波浪能装置，其包括(1)浮子，(2)游动物(swimmer)，(3)连接所述浮子和所述游动物的绳索； 
所述浮子、游动物和绳索应使得当所述航行器在静止水中时，(i)所述浮子在水面上或靠近水面，(ii)所述游动物潜入至所述浮子下面，以及(iii)所述绳索张紧；并且 
所述游动物包括： 
(2a)游动物主体(swimmer body)，其具有纵向轴线，以及 
(2b)鳍板系统(fin system)，其(a)固定于所述主体，(b)包括鳍板，以及(c)当所述装置处于具有波浪的水中时， 
(i)具有因波浪运动而变化的结构(configuration)，以及 
(ii)与水相互作用，以产生倾向于使所述游动物沿具有水平分量的方向(以下简单地称为“沿水平方向”)移动的力。 
此处所用的术语“鳍板”指包括大致层状表面(laminar surface)的部件，当波浪能装置处于具有波浪的水中时，水向该层状表面施加的压力足以充分影响所述游动物的移动。在许多情况下，所述水面航行器包括固定到所述游动物主体上不同点处的两个或更多个鳍板，这些鳍板可能相同或不同。所述游动物主体的“纵向轴线”位于大致垂直平面，当所述装置处 于具有波浪的水中时，所述游动物沿此平面移动。 
所述鳍板系统优选地具有如下特点中的至少一个(即一个或多个)： 
(A)它包括鳍板，例如一般层状的鳍板，该鳍板围绕旋转轴线转动(例如，旋转轴线通常横向于所述游动物主体的纵向轴线)，所述旋转轴线与所述游动物主体具有空间关系(spatial relationship)，当所述装置位于具有波浪的水中时，所述空间关系发生变化。 
(B)它包括(i)鳍板，例如一般层状的鳍板，该鳍板围绕旋转轴线转动(例如，旋转轴线通常横向于所述游动物主体的纵向轴线)，以及(ii)弹性部件(例如金属螺旋弹簧、金属板簧、金属扭杆、或诸如自然或人工橡胶圈的弹性部件)，其不是所述鳍板的部分，且其可弹性变形，并由此当所述装置位于具有波浪的水中时，影响所述鳍板系统结构的变化。 
(C)它包括鳍板，例如一般层状和可弹性变形的鳍板，其具有前缘，所述鳍板包括(i)与所述游动物主体具有固定的空间关系的相对刚性的中心部分(包括所述中心部分围绕与所述游动物主体具有固定的空间关系的旋转轴线转动的可能性)，以及(ii)可相对变形的外侧部分。 
(D)它包括两个一般层状的鳍板，例如两个一般层状和可弹性变形的鳍板，这两个鳍板相互镜像，且每一个鳍板都围绕旋转轴线转动，所述旋转轴线与所述游动物主体的纵向轴线大致一致(这些鳍板的工作方式类似于鱼的胸鳍或鸟的翅膀，且此处称作“胸”鳍(“pectoral”fin))。 
所述绳索优选地包括如下特点中的一个或两个： 
(E)它包括可弹性变形的构件。 
(F)它包括发送数据和/或电功率的部件。 
所述游动物主体优选地包括如下特点中的一个或多个： 
(G)它包括大致刚性的前部部分、在垂直平面上相对柔性的中间部分、以及大致刚性的尾部部分，所述绳索连接至例如所述前部部分，而所述鳍板系统连接至例如所述前部部分。 
(H)它包括一个或多个部件，所述部件选自电气设备、通信设备、 记录设备、控制电子设备、转向设备和传感器。 
(I)它包括一个或多个大致垂直的鳍板，所述鳍板影响所述游动物主体在水平面内的方向。这些鳍板能够有助于平衡阻力，并限制当通过所述绳索横向拉动所述鳍板时所述游动物的转动。在一个实施方案中，所述游动物主体包括固定的前鳍板(leading fin)和后鳍板(trailing fin)，可驱动鳍板来操纵所述游动物。在类似的实施方案中，所述游动物主体的一部分具有相对小的水平尺寸和相对大的垂直尺寸；例如，如果这一部分在所述游动物主体的尾端，那么可驱动该部分来操纵所述游动物。 
(J)它包括一般管状的外壳，胸鳍沿所述主体的任一侧延伸。 
当此处引用围绕旋转轴线转动的鳍板或其它部件，或者引用可旋转地安装或可旋转地固定的部件时，这不仅包括可能围绕单根轴线转动，而且还可能包括因围绕两个或多个轴线转动而产生的转动(这是可能的，但不一定需要彼此相互平行)，且这种转动还可能涉及所述鳍板或其它部件的相邻部分的连续相对运动，例如当柔性鳍板的一部分固定，而柔性鳍板的其它部分相对于所述固定部分移动(即“围绕转动”)时。 
在第二个优选方面，本发明提供一种波浪能水面航行器，其包括(1)浮子，(2)游动物，(3)连接浮子和游动物的绳索，以及(4)计算机系统；浮子、游动物和绳索应使得当所述航行器在静止水中时，(i)浮子在水面上或靠近水面，(ii)游动物潜入至浮子下面，以及(iii)绳索张紧；当所述航行器处于具有波浪的水中时，游动物与水相互作用，以产生沿水平方向移动所述航行器的力；浮子包括基于卫星的定位传感器；游动物包括(a)感应水平面内方向的传感器，以及(b)转向致动器(steering actuator)；且计算机系统(a)与所述定位传感器、水平传感器和方向舵(rudder)相连，(b)包括或经编程后包括响应于从所述定位传感器和所述水平传感器所接收的信号，或响应于从所述航行器上的传感器所接收的信号来控制所述转向致动器的指令。在本发明第二个方面的水面航行器中，所述游动物优选包括根据本发明第一个方面的主体和鳍板系统，但也可包括用于产生沿水平方向移动所述航行器的力的不同装置。 
本发明的所述水面航行器通常包括单个浮子和单个游动物，并且将参 考这种水面航行器主要地描述本发明。然而，本发明包括具有多于一个浮子、和/或多于一个游动物的可能性，例如单个浮子通过多个绳索连接到多个游动物，所述游动物优选轴线一致。 
在第三个优选方面，本发明提供一种利用波浪能的方法，其包括将根据本发明第一或第二个优选方面的装置放置于具有或期望具有沿其表面行进的水波浪的水体中。 
在第四个优选方面，本发明提供一种获取信息的方法，其包括接收来自根据本发明第一或第二个优选方面的装置的信号，例如来自于多个这种装置例如2-10,000个或10-1000个装置中的一些装置或所有装置的信号。 
在第五个优选方面，本发明提供一种获取信息的方法，其包括分析由根据本发明第一或第二个优选方面的装置所记录的信号，例如由多个这种装置例如2-10,000个或10-1000个装置中的一些装置或所有装置所记录的信号。 
在第六个优选方面，本发明提供一种用于控制根据本发明第一或第二个优选方面的装置的功能的方法，所述方法包括向所述装置发送信号。 
在第七个优选方面，本发明提供适用于本发明第一或第二个优选方面和其它用途的新型浮子；适用于本发明第一或第二个优选方面和其它用途的新型游动物；适用于本发明第一或第二个优选方面和其它用途的新型鳍板系统；以及适用于本发明第一和第二个优选方面和其它用途的新型鳍板。 
在第八个优选方面，本发明提供套件，所述套件包括两个或多个部件，需要将这些部件组装成根据本发明第一或第二个优选方面的装置。 
本发明提供了一种新型的波浪能水面航行器，包括： 
(1)浮子， 
(2)游动物，以及 
(3)绳索，其连接所述浮子和所述游动物； 
所述浮子、游动物和绳索应使得当所述航行器在静止水中时， 
(i)所述浮子在水面上或靠近水面， 
(ii)所述游动物潜入至所述浮子下面，以及 
(iii)所述绳索张紧； 
所述游动物包括： 
(2a)游动物主体，其具有纵向轴线，以及 
(2b)鳍板系统，其 
(a)固定于所述主体， 
(b)包括鳍板，且 
(c)当所述装置处于具有波浪的水中时， 
(i)具有因波浪运动而变化的结构，以及 
(ii)与水相互作用，以产生倾向于使所述游动物沿水平方向移动的力。 
本发明所提供的水面航行器中，鳍板系统可具有如下特点中的一个或多个： 
(A)它包括围绕旋转轴线转动的鳍板，旋转轴线与游动物主体具有空间关系，当航行器位于具有波浪的水中时，所述空间关系发生变化； 
(B)它包括(i)围绕旋转轴线转动的鳍板，和(ii)弹性部件，所述弹性部件不是所述鳍板的部分，且可弹性变形，并由此当航行器位于具有波浪的水中时，影响鳍板系统结构的变化； 
(C)它包括具有前缘的鳍板，所述鳍板包括(i)具有与游动物主体固定的空间关系的相对刚性的中心部分，以及(ii)可相对变形的外侧部分；和 
(D)它包括两个一般层状的鳍板，每一个鳍板都围绕旋转轴线转动，旋转轴线与游动物主体的纵向轴线大致一致。 
绳索可具有如下特点中的一个或两个： 
(E)它包括可弹性变形的构件；和 
(F)它包括发送数据和/或电功率的部件。 
游动物主体可具有如下特点中的一个或多个： 
(G)它具有大致刚性的前部部分、在垂直平面上相对柔性的中间部分、以及大致刚性的尾部部分； 
(H)它包括一个或多个部件，所述部件选自电气设备、通信设备、记录设备、控制电子设备、转向设备和传感器； 
(I)它包括鳍板，当所述装置在具有波浪的水中时，所述鳍板影响游动物主体在水平面内的方向； 
(J)它包括一般管状的外壳，且鳍板系统包括沿所述外壳的任一侧延伸的鳍板；以及 
(K)它包括一般管状的外壳以及分别邻近于游动物主体的前端和尾端的垂直鳍板表面。 
鳍板系统可包括：(1)多个鳍板，(2)刚性杆，其安装在游动物主体上，并且每一个鳍板都可转动地安装于所述刚性杆，以及(3)弹性部件，其不是鳍板的部分，且可弹性变形，并由此当所述装置位于具有波浪的水中时，影响系统结构的变化。 
鳍板系统可包括：(1)刚性杆，其安装在游动物主体上，(2)一般层状的鳍板，其安装在所述刚性杆上，以及(3)弹性部件，其连接到所述鳍板和所述刚性杆。 
鳍板系统可包括一般层状并且可弹性变形的鳍板，所述鳍板具有前缘，所述鳍板包括：(i)相对刚性的中心部分，所述中心部分围绕大致横向于所述游动物主体的纵向轴线的旋转轴线转动，以及(ii)可相对变形的外侧部分。 
所述的水面航行器中： 
(1)浮子可包括基于卫星的定位传感器，且 
(2)游动物可包括：(a)感知水平面内方向的水平传感器，以及(b)转向致动器；且 
航行器还可包括计算机系统，所述计算机系统(a)连接到所述定位传 感器、所述水平传感器和方向舵，(b)包含或经编程后包含指令，以响应于从所述定位传感器和所述水平传感器所接收的信号，或响应于从航行器上的传感器所接收的信号而控制所述转向致动器。 
游动物可具有重心，且绳索可在所述重心之上大致垂直地连接到游动物；浮子可具有浮力中心，且绳索在所述浮力中心之下大致垂直地连接到浮子；并且浮子可具有阻力中心，且绳索在所述阻力中心前面连接到浮子。 
本发明还提供了一种利用波浪能的方法，包括将上述水面航行器放置于具有或期望具有沿其表面行进的水波浪的水体中。 
本发明还提供了一种获得信息的方法，包括分析上述水面航行器所获得或记录的信息。 
本发明另外提供了一种用于控制上述水面航行器的功能的方法，包括向水面航行器发送信号。 
附图简述 
本发明通过附图进行说明，这些附图都是示意性的，且不按比例绘制。 
图1是水面航行器的图示。 
图2和图3是用于某个实施方案的鳍板的截面。 
图4是绳索的截面。 
图5是控制系统的框图。 
图6表示用于保持位置的水面航行器(station-keeping water vehicle)的路径。 
图7是水面航行器的透视图。 
图8表示图7中鳍板的不同结构。 
图9是水面航行器的透视图。 
图10是图9的部分的放大透视图。 
图11A至11D表示图9中鳍板的不同结构。 
图12-19和图21是水面航行器的侧视图。 
图20是图21水面航行器的平面图。 
图22A至22C表示具有柔性主体的水面航行器的不同结构。 
图23-25是水面航行器的透视图。 
图26A至26D表示水面航行器的不同视图。 
图27A至27D表示水面航行器的不同视图。 
在一些图中，用0、1、2、3或4来标号鳍板系统。如果结构标号为0，那么当航行器在静止水中时，可能采用这种结构。如果结构标号为1，那么当浮子正在落入波峰后面，并且绳索上的张力正在下降(且可能为0)时，可能采用这种结构。如果结构标号为2，那么当浮子已落入波谷，并且绳索上的张力开始增加时，可能采用这种结构。如果结构标号为3，那么当浮子朝着波顶上升高，并且绳索处于或接近这一特定周期的最大张力时，可能采用这种结构。如果结构标号为4，那么当浮子接近波峰的顶点并且绳索上的张力已减少时，可能采用这种结构。然而，应当理解，鳍板系统的结构实际上不一定如图中所示。 
发明详述 
在上面的发明内容、下面的发明的详细描述以及附图中，提到了本发明的特定特征。应当理解，本说明书中本发明的公开内容包括这些特定特征的所有可能的组合。例如，在特定特征被公开在特定方面、特定实施方案或特定图的情形中，在一定程度上，该特征还可适当地用于其他特定方面、实施方案和图的情形，且可以普遍地用于本发明中。应当理解，本发明包括此处公开的所有新颖特征，并不受限于上面所列的本发明的优选方面。 
此处使用的词语“包括”及其语法等效词意味着任选地存在其它要素(即，部件、成分、步骤等等)。例如，“包括”(或“其包括”)部件A、B和C的水面航行器可以只包括部件A、B和C，或者不仅可以包括部件 A、B和C，而且还可以包括一个或多个其它部件。此处所使用的后面跟随数字的词语“至少”指起始于该数字的范围起点(其可能是具有上限或没有上限的范围，取决于所定义的变量)。例如，“至少1”意味着1或大于1，以及“至少80％”意味着80％或大于80％。此处所使用的后面跟随数字的词语“至多”指终止于该数字的范围的终点(其可能是具有1或0作为其下限的范围，或者没有下限的范围，取决于所定义的变量)。例如，“至多4”意味着4或小于4，以及“至多40％”意味着40％或小于40％。在本说明书中，当范围给定为“(第一个数字)至(第二个数字)”或“(第一个数字)-(第二个数字)”，这意味着下限为第一个数字而上限为第二个数字的范围。例如。“从5至15英尺”或“5-15英尺”意味着下限为5英尺而上限为15英尺的范围。此处所使用的词语“多于一个的(plural)”、“多重的(multiple)”、“多个(plurality)”以及“多重(multiplicity)”指两个或多于两个项目。 
在此处提及包括两个或多个所定义的步骤的方法时，可以按照任意的顺序或同时地(除非文中排除这种可能性)执行所定义的步骤，并且该方法可任选地包括一个或多个其它步骤，这些其它步骤可在任一个所定义的步骤之前、在两个所定义的步骤之间、或在所有所定义的步骤之后执行(除非文中排除这种可能性)。在此处提及“第一”和“第二”元件时，这样做通常是为了辨识；除非文中另有要求，第一和第二元件可为相同或不同，且提及第一元件并不意味着第二元件必然存在(尽管也可能存在)。在此处提及“一(a)”或“一(an)”元件时，这并不排除有两个或多个这种元件的可能性(除非文中排除这种可能性)。例如，在此处提及一鳍板或一鳍板系统时，游动物可以(且经常)包括两个或多个鳍板或鳍板系统，其可能性是相同的或不同的。在此处提及的两个或多个元件时，这并不排除这样的可能性，即可由提供相同功能的更少数量或更多数量的元件来替换这两个或多个元件(除非文中排除这种可能性)。例如，游动物主体和鳍板系统能够一起形成单个整体。此处提供的数量应当解释为与它们的所处情况和表示相适宜的范围；例如，每个数字的变化取决于本领域的技术人员所通常使用的方法的测量精度。 
除非另有所指，所提及的航行器部件的定位和形状是指当航行器在静态水中时的定位和形状。各种术语在说明书中的用法根据上面所提供的定义和下面所提供的进一步定义。 
“前缘(leading edge)”(或前端)和“后缘(trailing edge)”(或后端)分别指当波浪能驱使航行器向前移动时，鳍板或其它部件的前面和后面。 
“前部(fore)”和“尾部(aft)”分别指相对靠近前缘和后缘(或前端和后端)的位置。 
“一致(aligned)”是指大致处于垂直平面内的方向，该垂直平面与包含游动物纵向轴线的垂直平面相平行。“轴向一致(axially aligned)”是指大致处于包含游动物纵向轴线的垂直平面内的方向。 
“横向(transverse)”是指大致处于垂直平面内的方向，该垂直平面与包含游动物轴向中心线的垂直平面正交。 
此处所提及的特征“大致(generally)”遵照某一特定的定义，例如“大致处于垂直平面内”、“大致层状”、或“大致水平”，应当理解为，这个特征并不需要严格地遵守这个特定的定义，而是可以对这个严格定义有一定数量的偏移，根据本发明的原理，这一数量允许有效操作。 
航行器的所有部件，特别是任何电气连接件，优选由抗盐水的材料构成，和/或密封在这种材料制成的防水夹套内。优选地，暴露到水中的这种材料能抵抗生物结垢，且不会吸引或甚至是驱散海洋动物，例如鲨鱼。例如，这种合适的材料可从金属和聚合复合材料中挑选出，包括含铜涂料(copper-containing paint)和诸如聚四氟乙烯的低表面能聚合物。当航行器包括电池和太阳能电池板(或者其它发电装置)时，通过使用来自电池或太阳能电池板的能量对航行器上的导电材料简短充电，和/或向驱散生物结垢材料的振动器供能，可阻止生物结垢。可能被海草阻碍的前缘可任选地具有锋利或锯齿状的边缘。 
航行器优选设计成使游动物的移动将其向前推时的阻力最小，并将使航行器横向移动的风和水流的影响减到最小。浮子或游动物或两者都可具有副翼，当浮子或游动物正向前移动时，副翼折叠起来，并对阻力影响很小，但 是当浮子或游动物向后移动时，副翼散开，并且增加阻力。这些副翼优选放置成使得若向后移动，它们能够将浮子和/或游动物保持于期望的方位。 
例如，具有上面特征(B)的优选装置可包括鳍板系统，该鳍板系统包括(1)多个鳍板，例如3-10或4-6个鳍板，例如5个鳍板，(2)安装在游动物主体上的刚性杆，且每一个鳍板都可旋转地安装于刚性杆，以及(3)如(B)中所界定的弹性部件。刚性杆优选与游动物主体的纵向轴线一致。可为相同或不同的鳍板优选相互位于彼此后面(任选地在相同的水平面上)，并且优选每个鳍板都围绕与游动物主体的纵向轴线大致横向的横向轴线转动。每个弹性部件影响其所连接的鳍板的旋转速度和/或程度。例如，弹性部件可从刚性杆的固定点，例如鳍板横向轴线的尾部，延伸到鳍板上的固定点，例如鳍板横向轴线的尾部。 
例如，具有上面特征(A)和(B)的优选装置可包括(i)大致层状的鳍板，其直接或间接地安装，任选可旋转地安装在刚性杆上，而该刚性杆安装，任选可旋转地安装在游动物主体上，以及(ii)弹簧杆和/或扭力杆，其直接或间接地连接至鳍板和/或刚性杆，并且其影响(a)鳍板和/或刚性杆的旋转速度和/或程度，和/或(b)在系统结构的部分变化或全部变化期间游动物主体和旋转轴线之间的空间关系。 
例如，具有上面特征(C)的优选装置可具有鳍板系统，该鳍板系统包括大致层状且可弹性变形的鳍板(这样的鳍板任选地为鳍板系统的单一弹性部件或多个弹性部件中的一个)，该鳍板具有前缘，该鳍板包括(i)相对刚性的中心部分，其围绕与游动物主体的纵向轴线大致横向的旋转轴线转动，以及(ii)可相对变形的外侧部分(例如，鳍板具有后掠(swept back)，例如大致V形的前缘)。 
游动物主体 
游动物主体的形状通常为大致圆柱形，或为选择来使鳍板系统将游动物拉动通过水时的阻力减到最小的其它形状。通常存在单个游动物主体，但也可以存在多个主体，它们彼此固定，优选刚性地彼此固定，且它们的 轴彼此一致或相互平行，并且相互间隔开。优选地，主体具有当航行器在静止水中时大致水平的纵向轴线。 
通常，但并不必需，游动物主体的长度(即沿纵向轴线测量的尺寸)远大于其宽度(即横向于纵向轴线测量的游动物主体尺寸)。例如，游动物主体的长度可至少为1英尺(0.3米)，如3至10英尺(0.9至3米)或4至6英尺(1.2至1.9米)，而且还可很大，如大至1000英尺(300米)或更多。例如，游动物的直径(或，对于非圆柱形主体，每一个的最小和最大横向尺寸)可至少为0.1英尺(30毫米)，或至少0.3英尺(90毫米)，直到如游动物长度的0.1倍。 
在一些实施方案中，整个游动物主体将为刚性的。然而，部分的游动物主体还可弹性变形。例如，游动物主体可具有柔性中心部分，优选大致只位于垂直平面内，且方向舵安装于柔性中心部分的刚性部分尾部，而鳍板系统安装于柔性中心部分的刚性部分前部。任选地，游动物具有在重心上方的浮力中心。 
如下进一步讨论，可将各种各样的额外的部件连接至游动物主体。重的部件优选固定于游动物而不是浮子。游动物的湿重，包括其上连接的部件，例如可为5-20000磅(2-9000公斤)，如5-500磅(2-225公斤)，例如20-60磅(9-30公斤)。许多部件优选放置于由游动物主体提供的防水壳内(例如包括电池的电气设备、电子设备、伺服机构、防水通道(watertight pass-through)和定向设备)。其它的部件优选或必要地放置在游动物主体外部，例如稳定鳍板(stabilizer fin)、稳定重物(stabilizer weight)、方向舵、某些类型的传感器以及取样器。例如，稳定鳍板可放置于游动物主体的前部附近或后部附近，例如该稳定鳍板可大致上垂直固定，并且与阻止游动物横向阻力的鳍板一致，或者大致上水平固定，并且与阻止游动物垂直阻力的鳍板一致。例如，稳定重物可为杆和/或盘，通常与游动物主体一致，固定于从游动物主体垂直下来的支杆，因而增加重量，并改变游动物的重心，或者可为龙骨垂直稳定鳍板的部分。 
在一个实施方案中，将水听器(hydrophone)固定于游动物主体。优选地，为了将水听器从游动物所产生的噪声隔离开，该水听器放置于拖在 游动物主体后面的线缆末端，或者在从诸如游动物主体的前面伸出的延长杆上。 
浮子 
浮子可为任意简便的规格和形状，要考虑其所承载的部件、其将被使用的方式以及使水中阻力和逆风阻力最小的愿望。浮子的长度可小于游动物的长度，如0.5至0.9倍，基本上等于游动物的长度，如0.9至1.1倍，或者大于游动物的长度，如1.1至4倍。例如，浮子的长度可至少为1英尺(0.3米)，如3至10英尺(1至3米)或4至6英尺(1.2至1.9米)，而且还可很大，如大至1000英尺(300米)或更多，只要其不大得以致无法被波浪充分地移动就行。例如，浮子的宽度可至少为0.3英尺(0.1米)，或至少2英尺(0.6米)，直到如浮子长度的0.3倍。任选地，浮子具有在重心上方的浮力中心。例如，浮子可具有20-500磅(9-225公斤)，如约80磅(36公斤)的浮力，和/或其浮力为游动物湿重的2-4倍。 
为了减少风、波浪或水流力横向推动浮子的危险性，优选地，水阻力的中心和风阻力的中心都位于线路连接点的后面，因为这样有助于将浮子保持在迎面的方位，在这个方位其具有最小的总阻力。作用于部分浮子的沿绳索连接点前向的风力和水力倾向于将浮子偏离期望方位转动，而沿绳索连接点后向的风力和水力倾向于得到期望的方位。因此，浮子的前端优选相对较钝，且被截平，而浮子的尾部优选具有更大垂直表面积的扩展式尾部。 
浮子可包括方向舵。在航行器的某些或所有操作期间，可固定该方向舵，以便使阻力中心保持在绳索连接点后面。方向舵还可调，以便辅助航行器的操纵；在这种情况下，绳索优选在游动物阻力中心的前面连接于游动物。特别地，当将绳索稍微连接在浮子浮力中心的前面时，可形成浮子的水下表面，以产生向前推力。 
浮子任选包括外壳，该外壳包括聚合复合材料，例如玻璃纤维或碳纤维加强型聚合复合材料，以及/或者厚壁弹性板材料。此外壳任选地围绕封 闭式聚合泡沫芯，例如柔顺的封闭式泡沫，和/或多个中空腔体。在一些实施方案中，这种腔体可任选地被充注(例如由弹性体材料构成)，使得它们可部分地或全部被水和/或空气填充，以控制浮力。 
绳索 
绳索机械地连接浮子和游动物，并且为此目的包括具有合适断裂强度的拉伸构件，例如至少500磅(225公斤)，或者至少1500磅(675公斤)。例如，拉伸构件可由诸如不锈钢的金属和/或诸如Kevlar或Spectra的聚合复合材料构成。通常，绳索还包括一个或多个不承载任何负载且传输电功率和/数据的构件，例如一个或多个双绞线绝缘导电体、光纤或声学电缆。通常，绳索仅支持拉伸负载，但本发明包括这样的可能性，即绳索还能抗压缩，例如其为棒。 
为了减少阻力，绳索的部件优选放置成使绳索前缘的面积最小，由于主拉伸构件位于前端。因此，绳索任选地包括夹套，优选流线型截面的夹套，例如由聚合复合材料构成，例如基于硅酮或氯乙烯聚合物的复合材料，该夹套围绕其它部件。扭转绳索增强阻力，并且任选地可进行测量来减少扭转。例如，在绳索的后缘可提供第二拉伸构件，和/或航行器可包括检测和校正绳索扭转的装置，和/或可沿某个路径来导引航行器，在这个路径中，顺时针和逆时针转动是平衡的(特别地，当沿围绕固定点的路径导引航行器时)。 
例如，绳索的对齐尺寸(aligned dimension)为0.5至1.0英寸(13-25毫米)，例如大约0.625英寸(16毫米)，横向尺寸为0.125至0.5英寸(3-13毫米)，例如大约0.19英寸(5毫米)，长度为例如10至80英尺(3-25米)，如17至23英尺(5-7米)。浮子或游动物中的任一个可包括能够改变绳索长度的卷轴(reel)或其它设备，每一个都适合于特定的波浪条件和/或水深，以及/或者使航行器更加便于保存、运送和使用。 
例如，绳索可包括弹性体构件，如弹簧，当浮子和游动物的相对位置发生变化时，其长度可逆地变化。例如，通常形成为倒Y型的绳索的一个 分支可包括这种弹性体构件。 
在一些实施方案中，存在单根绳索。例如，绳索可具有单条线路的中心部分、下部部分(与游动物相连接)和/或上部部分(与浮子相连接)，其具有两个或多个分支，分别固定在游动物或浮子上的前后位置或横向位置。在一个实施方案中，绳索的形状为倒Y型，Y的下分支(a)与游动物一致，并且固定于游动物上的前后位置，或(b)与游动物成横向，并且固定于从游动物的轴线横向延伸的部件。 
当游动物和浮子之间具有单根绳索时，优选地，绳索的结构以及与游动物的连接点(或多个连接点，若绳索具有两个或多个下分支)应使得当向上拉绳索时，对游动物所施加的向上力在游动物的重心或重心附近传递给游动物。于是，当航行器处于静止水中时，游动物大致水平。这有助于游动物保持水平方位。 
当游动物和浮子之间具有单根绳索时，优选地，绳索的结构以及与浮子的连接点(或多个连接点，若绳索具有两个或多个上分支)应使得当向上拉绳索时，对浮子所施加的向下力在浮子的浮力中心附近或稍微向前处传递给浮子。 
在其它实施方案中，存在多根绳索，例如第一根和第二根绳索，其分别连接到浮子和游动物的前后位置。多根绳索增加阻力，但减少扭转。 
绳索的张力使得游动物和浮子平稳。尽管可通过将浮力中心放置于重心上而使每个元件独自平稳，但这是不必要的。线路张力使游动物和浮子平稳的这一事实简化了航行器的控制。在一些实施方案中，只需要在一个自由度上操纵航行器，且其它姿态的控制被被动地平衡，所以航行器不必包括姿态控制推进器(attitude control thruster)或副翼(尽管可提供这种推进器或副翼)。 
鳍板系统 
当波浪能推动游动物时，鳍板系统的结构相应于水面上的波浪而周期性变化。通常，但不是必需，每个周期内的结构变化基本上相同。在每个 周期内的结构变化通常基本上是连续的，但也可以是不连续的(即在结构保持不变期间的每个周期内可能存在一段或多段时期)。在至少部分周期中，鳍板系统与水相互作用，以产生沿水平方向推进游动物的力。在一些实施方案中，鳍板系统包括围绕横向轴线转动的鳍板。在另一些实施方案中，鳍板系统包括围绕纵向轴线转动的一对鳍板。在任一种情况下，当游动物上升和下降时，一个鳍板或多个鳍板可任选地承受弹性变形，这将增强游动物的前推力。 
不同的波浪大小将对不同的鳍板系统产生不同的响应。例如，对于相对大的波浪，大多数推力通常倾向于在鳍板运动的向上和向下阶段中产生，而对于相对小的波浪，大多数推力倾向于来自鳍板的转动。柔性鳍板倾向于产生来自小波浪和大波浪的推力。 
对于本发明的任何特定水面航行器，游动物对浮子运动的影响将部分地取决于波浪的大小和频率。例如，浮子的运动同样将取决于诸如水流和风等的环境条件，以及操作浮子的其它任意推进或转向系统。在合适的条件下，游动物将以一定速度向前移动航行器，这可满足许多目的，而无需其它任意的推进系统(尽管可能需要使用其它动力源来操作转向系统)。 
游动物和浮子的水平运动通常为周期性的，在滑行阶段和上升阶段之间交替进行，在上升阶段出现浮子的峰值水平速度，而在滑行阶段出现游动物的峰值水平速度。在滑行阶段，线路张力小，且游动物能够向前快速滑行。浮子可向前缓慢移动或不向前移动。在上升阶段，线路张力大，且若游动物在滑行阶段中成功地向前滑行，那么线路将成一定角度，以致所增加的张力使游动物的向前运动变慢。陡峭的线路角度和大的张力将拉动浮子快速向前，部分地跟上在滑行阶段中游动物的前行。 
阻力与速度的平方成比例。由于在滑行阶段中游动物的速度最高，所以优选在这个阶段中最小化阻力。如下所描述以及附图27A-D是水面航行器的一个实例，该水面航行器在滑行阶段中获得较低的阻力，并且能够快速且平静地从上升阶段转换到滑行阶段。在这个例子中，游动物主体具有沿纵向轴线方向最长的中心主体结构。鳍板从主体的每一侧伸出，并且可 围绕与主体纵向轴线大致垂直且优选还与绳索轴线大致垂直的轴线相对于主体转动。可存在具有单个轴线的一对翼，或多个翼对。优选地，鳍板的转动部分地受弹簧控制，该弹簧将阻止由静止位置向两侧的转动。使用这种弹簧的一个优点是，其提供了缓慢增加的转动阻力，而不会产生因急停而引发的噪音，并且噪音还会损害敏感声学仪器的操作。 
当航行器静止于静水中时，优选地，绳索通常垂直，并且与主体相连接，使得主体轴线与水平面的角度为0到30°，优选3-10°。优选地，在静止位置的鳍板弦轴(chord axis)通常水平。 
当因浮子向下移动而释放线路张力时，游动物将向下移动，且翼上的流体压力将导致其转向滑行位置，而弹簧阻止这种转动。弹簧力和升力平衡成使得在滑行位置的翼角度与主体纵向轴线相似，并由此提供最小阻力。当因浮子向上移动而增加线路张力时，游动物将向上移动，且翼上的流体压力将导致其转向上升位置，而弹簧阻止这种转动。弹簧力和升力平衡成使得在上升运动中翼以高效的冲角工作来提供向前推力。 
用于滑行的有效翼形状的一个实例具有高的纵横比(跨度/弦)、椭圆的设计形式和细长的翼型。具有相对较短的弦的鳍板能够在滑行角和上升角之间快速转动，以便鳍板能够以最小的运动损失获得每个阶段的最优冲角。 
在图27中表示了单个鳍板。多个鳍板同样可能存在，其中每个鳍板行为方式相似。除了提供主推力的翼或多个翼之外，还可提供较小的尾翼或前端的鸭翼，以便稳定。 
滑行角的控制 
最优滑行角的变化取决于海洋条件。若风或表面水流正在将浮子向后拉，那么可能需要陡峭的滑行角来获取前向运动。相反地，若风或水流有利，那么浅的滑行角可增加每个滑行周期所行进的距离。 
主动控制可应用于尾翼或鸭翼的角度来控制滑行角。可选择地，或者另外，可通过移动内部质量来沿主体轴线调节重心。例如，丝杠驱动可向 前或向后移动电池组来调节重心。可选择地，或者另外，可调节绳索的连接来影响主体的角度。 
在优选实施方案中，航行器配备有控制和转向系统，该系统使其能够受到按期望方式的远程控制，例如，以便在围绕所期望的固定位置按闭合模式移动，和/或沿可能相距许多英里的两个位置之间的期望路径行进，和/或在某个海域上缓慢地前后来回移动，以便采集各种各样的数据。 
若浮子还受到其它力而移动(例如受风、水流或常规的推进系统)，那么游动物的移动将调整浮子的移动(例如加速或减速和/或变化方向)。 
按期望方式与水相互作用的不同鳍板系统包括，但并不限于此处描述的各种类型。特定的鳍板系统可利用两种或多种这样类型的组合，除非当它们彼此不兼容时；且水面航行器可包括两种或多种相同或不同类型或类型组合的鳍板系统。下面提到“大致层状的鳍板”时，这包括如此的可能性，即鳍板厚度的变化是规则的或不规则的、是沿横向或沿一致方向的、或者两者都是，以及这样的可能性，即部分鳍板从其大致层状的形状向外伸出。例如，鳍板的至少部分可具有翼型截面，即这样的截面使得当鳍板与具有波浪的水相互作用时其可产生升力和阻力。在下面提到“处于大致水平平面”的大致层状的鳍板时，这包括如此的可能性，即鳍板的主要平面处于与水平面倾斜成一定角度的平面内，这个角度允许鳍板的有效工作，例如与水平面所成的角度不超过45°，优选地不超过20°。 
在本发明的一些实施方案中，当航行器处于静止水中时，部分或全部鳍板系统呈现第一种结构；当由于波峰向上提升浮子而绳索向上拉动游动物时，部分或全部鳍板系统从第一种结构转变为第二种结构；以及当由于波谷使得浮子下降而游动物下沉时，部分或全部鳍板系统从第二种结构转变为第三种结构。第三种结构通常与第一种结构不同，但本发明包括第三种结构与第一种结构相同的可能性。当鳍板系统从第二种结构转变为第三种结构时，其能够，但不必需，经历作为瞬态出现的第一种结构。例如，鳍板系统可包括一个或多个鳍板，该鳍板包括在不同结构之间弹性变形的大致层状的部分。可选择地或另外，例如鳍板系统可包括一个或多个可弹性变形的部件，该部件的形状在不同结构之间变化，并由此控制或有助于 控制包含有大致层状的部分的鳍板或多个鳍板的运动。可弹性变形的部件可控制或有助于控制鳍板仅沿一个方向的移动(例如弹簧)，或者沿两个或多个方向的移动，例如沿向上和向下方向(例如，扭力杆)。 
可包括限位器来避免鳍板的不适宜运动，例如以避免柔性鳍板的过度弯曲。该限位器可为刚性限位器、弹性限位器，例如弹簧，包括有增刚度弹簧(increasing rate spring)。 
鳍板系统包括至少一个鳍板，该鳍板优选具有如下特征中的一个或多个： 
(a)其至少部分地可弹性变形。 
(b)其至少部分地大致刚性。 
(c)其包括相对刚性的前部部分、中心部分和/或相对可弹性变形的尾部部分。 
(d)其包括相对可弹性变形的前部部分、相对刚性的中心部分、以及相对可弹性变形的尾部部分。 
(e)其形状与鱼或鲸的尾部形状相同。 
(f)在第一种结构中，在大致水平平面中其通常平坦。 
(g)在第二种结构中，其为大致层状并且向下弯曲，第二种结构是弯曲鳍板和/或将鳍板围绕轴线转动的结果，该轴线位于与绳索大致正交且与游动物的纵向轴线成直角的平面内。 
(h)当因波谷引起浮子下降而游动物下沉时，鳍板系统从第二种结构转变为第三种结构，第三种结构为大致层状并且向上弯曲。 
鳍板系统的其它任选特征包括： 
(1)其包括多个鳍板，这些鳍板可相同或不同，并且可在相同的水平平面或在两个或多个不同的平面上排列。 
(2)其包括安装到一框架的多个鳍板，例如安装到轴向一致的脊的两侧的多个鳍板，或者安装在一致的侧面围栏之间的多个鳍板。 
(3)其包括一对鳍板，该鳍板 
(i)从游动物主体的相对两侧伸出， 
(ii)固定至游动物主体，以致它们可在第一种结构和第二种结构之间移动，鳍板在第二种结构中的位置相对于鳍板在第一种结构中的位置向上延伸，且 
(iii)由弹簧或其它弹性恢复装置来偏向第一种结构，并且偏离第二种结构。 
(4)鳍板系统包括一对鳍板，且绳索包括具有两条分支的倒V形部分，每个分支都固定在一个鳍板上；以及 
(5)其包括尾鳍(caudal fin)。 
在本发明的第一个方面，鳍板系统任选地包括至少一个附加构件，该附加构件的形状固定，并且应使得当浮子移动带动游动物时，该附加构件直接或间接地产生所期望的水平力。在本发明第二个方面的一个实施方案中，这种构件是用于产生期望力的单独装置。 
柔性鳍板的最优弯曲量将取决于许多设计特性和所预期的波浪特性。如果鳍板过于柔软，那么在大幅度运动期间曲率可能太大以致鳍板的尾部部分可能弯曲而与运动方向相平行，由此产生很小的推力。如果鳍板过于刚硬，那么鳍板将不会有任意的弯曲变形，并且小幅度的输入将不能有效地产生推力。本领域的技术人员考虑到他们自身的知识以及说明书中所包括的信息，将容易地确定出合适的弯曲量。 
鳍板系统通常包括固定至游动物主体的刚性部件，优选放置于游动物主体上方。例如，该刚性部件可具有如下特征中的一个或多个： 
(i)其刚性地固定至主体部分。 
(ii)其放置于主体部分的上方，且在其上固定着单根绳索或具有倒Y结构的绳索的一个分支。 
(iii)其上固定着至少一个鳍板系统。当存在多于一个鳍板系统时，这些系统可以安装为一个系统在另一个系统的上方和/或并列安装。 
(iv)其为支撑系统的第一个部件，该支撑系统还包括第二个刚性部 件。第一个部件放置在大致垂直平面内的主体部分的上方，且直接固定到大致垂直平面内的主体部分，而第二个部件直接固定到第一个部件，并且具有固定于其的一个或多个鳍板系统。第二个部件任选地固定至第一个部件，使得其可在大致垂直平面内相对于第一个部件转动，并且诸如弹簧或扭力杆的弹性恢复构件可任选地影响转动。至少部分绳索任选地固定至第二个部件，使得绳索的上拉使弹性恢复构件变形。转动程度任选地由不能伸展的构件进一步限制。 
具有胸鳍的水面航行器 
在一些实施方案中，大致平坦的鳍板或一对大致平坦的鳍板承受横向的弹性变形(且也可能承受在一致方向上的弹性变形)。在一些情况下，这种鳍板可垂直移动，而不是游动物主体的大致垂直运动。它们的拍打方式类似于鱼的胸鳍或鸟的翅膀。优选地，胸鳍或鳍板围绕着轴向一致的纵向轴线转动。任选地，胸鳍表面还可转动和/或相对于水平面弯曲或相对于交叉纵向轴线和穿过翼梁的轴线的平面弯曲。 
这种类型的胸鳍优选由绳索直接驱动，由此减少游动物主体的运动。在一些情况下，这使它们很适于大型的游动物或适于游动物主体应当保持相对稳定的应用。 
通过将绳索的分支连接至胸鳍长度上的不同点，可调节相对于线路运动量的鳍板运动量。 
例如，胸鳍的内部轮廓结构可由不太柔软，任选相当刚硬的材料制成，诸如具有高疲劳寿命的回火钢或碳纤维复合材料。轮廓结构可包括前柱，该前柱使得前缘相当刚硬。轮廓结构的主要弯曲度在前柱靠近主体连接处垂直弯曲时出现。前柱的硬度可沿着外部部件增加，以避免翼片尖端下垂。例如，翼的后缘可仅包括弹性体夹套材料，并且相当柔软。 
绳索优选地在两个点处与胸翼相连接，在每个翼上有一个点。优选如此的翼结构，以致当绳索不处于张紧状态时，鳍板向下弯曲；而当航行器在静止水中时，鳍板弯向相对平的位置。线路张力的增加将引起翼向上弯 曲。优选地，线路连接点朝向胸翼的前缘。重心(COG)优选位于线路接合点下方，使得游动物主体水平处于静止水中。如果在线路连接处后面有更多的鳍板区域，那么向上运动将使游动物朝着前端向上冲。如果在COG后面有更多的鳍板区域，那么向下运动将使游动物朝着前端俯冲。任选地，方向舵掌舵游动物。具有胸翼的装置的任选特征可包括： 
(a)光滑的外部主体，其具有未暴露的机构，并且可防污垢。 
(b)在大区域上如此分布的弯曲度，使得在特定点处的疲劳能够长期地最小化。 
(c)流线型的整体形状，其可增加速度。 
(d)将绳索张力的急剧增加立即发送至鳍板，以致航行器的惯性不能阻止推力变换。 
(e)鳍板尖端延伸出线路连接点，且在这个区域内的翼梁相对刚性，以致鳍板尖端比绳索移出更大的幅值。这有助于从少量的绳索运动中产生大量的推力。 
附加的部件 
附加的部件可为航行器的一部分，其包括，但并不限于，在下面段落1-14中所描述的内容。一些部件，如电子控制设备，可为浮子和游动物中任一个或两者的一部分。笨重或大块的制品如电池以及很好地限制运动以及/或者防风和防噪音的设备，例如成像或绘图设备，以及水听器和声纳设备，优选地为游动物的一部分。其它部件，例如太阳能采集装置、无线电和导航天线、航标和天气传感器优选地为浮子的一部分。 
(1)通信设备，其用于发送和/或接收诸如数字或模拟无线电信号的数据，例如通信设备用于： 
(i)发送表现由监控或感应装置所采集的数据的信号，该装置为航行器的一部分； 
(ii)从基站(例如船或地面站)或从导航装置，例如卫星导航 设备，如全球定位卫星(GPS)、或声纳或无线电浮标接收诸如指令的信号； 
(iii)发送信号至接收站，例如通过卫星； 
(iv)发送受航行器位置影响的信号。 
(2)记录设备，其用于记录诸如数字或模拟信号的信号，例如信号 
(i)受到来自于诸如GPS的卫星导航系统的信号的影响； 
(ii)从航行器发送至接收站，例如通过卫星； 
(iii)受到航行器位置的影响；或者 
(iv)受到传感器的影响，该传感器为航行器的一部分，例如其为与游动物相连的水听器。 
(3)控制电子设备，其用于控制构成航行器的一部分的设备。 
(4)转向致动器，例如构成浮子一部分的方向舵，和/或构成游动物一部分的方向舵，例如转向致动器为浮子上的固定的方向舵(例如，以保持阻力中心处于绳索与浮子相连接的点的后面)，和/或连接到游动物的方向舵或者其它转向致动器，且其包括方向舵执行器，该执行器响应航行器内由诸如磁罗盘或陀螺仪所产生的，和/或由构成航行器一部分的通信设备所接收的信号。 
(5)电源，例如电池或燃料电池，优选地可再次充电的电源，例如借助于安装在浮子上的太阳能电池的输出来充电。电池，由于它们很重，所以优选地将其放置在游动物的箱体内。例如，可有4个到10个6伏铅酸电池。 
(6)用于使用太阳能的装置，例如安装在浮子上的太阳能电池板或太阳能电池。 
(7)传感器，这个术语用来指报告或响应任意可观测条件的变化的任意装置。因此，传感器可为任一种大类的科学或监测装置，例如罗盘、陀螺仪、温度传感器、压力传感器、任意电磁辐射如视觉、紫外或红外光类型的传感器、化学传感器如盐度传感器、磁强计、生物传感器、地质传感器、水流传感器、深度传感器、速度计、用于海底成像的设备、天气或 其它气候变化如风速、降雨量或气压变化的传感器、或水听器(例如用于监测由鲸或其它水生生物所发出的声音的水听器)。 
在一些实施方案中，由于本发明的航行器不需要包括常规的推进部件或其它噪声部件，所以它们为噪声敏感装置提供极好的平台，并且不会对由其它设备例如其他水面航行器承载的噪声敏感装置造成任何不良影响。 
(8)辅助推进装置(auxiliary propulsion means)，例如电动机驱动的推进器。 
(9)辅助姿态控制装置(auxiliary attitude control means)，例如副翼。 
(10)用于可逆地改变浮子的浮力的装置。例如，这种装置包括可充有空气以增大浮力且放气以减小浮力的腔，和/或可充有水以减小浮力且放水以增大浮力的腔。这样，可将浮子保持于水中的期望平面上(包括水下)。例如，当恶劣的天气条件可能威胁航行器时，特别是若航行器相当小时，减小浮力是有价值的。例如，这种腔包括阀，例如单通阀，其响应来自航行器自身上的传感器的输入或来自无线电信号的输入而受计算机控制。对这种腔充气和/或放气所需要的能量可直接来源于冲击浮子的波浪，和/或来源于浮子和游动物之间相对运动产生的波浪能，和/或来自存储式电源。例如，腔可包括柔性部分，当受波浪冲击时，该柔性部分作为泵，并且根据阀的位置来充满或放空腔。可选择地或另外，浮子可包括具有一个或多个入口和一个或多个出口的腔，当波浪高位而不是低位时，水可以从入口进入，而当波浪低位时，水可以从出口排出。 
(11)用于采集样本的设备，例如水、空气、水生生物、海洋动物、植物或矿物的样本。 
(12)用于利用风能的设备，例如用来对电池充电。 
(13)辅助电气设备，例如灯、浮标或驱动推进器的电动机。 
(14)用于将游动物的部分或全部运动转化为电能的装置。 
在一些实施方案中，可以同时操作表面部件，例如太阳能电池和/或无线电设备，以及水下部件，以便可“实时”传送数据，还可以安排数据采集和传送的交替阶段。 指引航行器沿期望路径行进 
在本发明的一些用途中，借助于与浮子或游动物相连的计算机来指引航行器沿期望的地理路径行进。例如，计算机用于： 
(a)处理(i)来自磁罗盘或陀螺仪(优选与游动物相连)的输入，(ii)来自诸如GPS的卫星导航系统(优选与浮子相连)的输入，以及(iii)经编程至计算机的地理坐标和/或无线电指令至计算机的输入；以及 
(b)输出指令至(i)方向舵控制系统，该方向舵控制系统控制在浮子和游动物两者上或其中一个上的一个方向舵或多个方向舵，优选在游动物上，以及(ii)若航行器具有辅助控制或推进装置，那么输出指令至这些装置。计算机的输入可包括从其它来源获得的数据，例如考虑到风和水流。 
在本发明的其它用途中，指引航行器沿着通过使用与浮子或游动物或与两者都相连的计算机来确定的路径行进，该计算机用于 
(a)处理来自与航行器自身相连的传感器的输入，或来自航行器网络的输入，航行器网络中的一个或多个航行器为本发明的航行器，以及 
(b)输出指令至(i)方向舵控制系统，该方向舵控制系统控制在浮子和游动物两者上或其中一个上的一个方向舵或多个方向舵，优选在游动物上，以及(ii)若航行器具有辅助控制或推进装置，那么输出指令至这些装置。 
这样，例如在航行器上的水听器、磁强计和其它传感器能够识别存在于水中或水面或海底的目标，例如船或其它浮动或水下目标，或鲸或其它海洋生物，且可指引航行器沿与目标有关的路径行进，例如跟踪目标的运动或存在。 
航行器的操作可受到来自远程控制台向其发送的信号和/或由航行器自身所产生的信号的控制，任选地结合构成航行器自身一部分的一个或多个已编程指令结构。 
将航行器保持靠近固定点(“位置保持”)的一种方法是以规定的时间间隔，例如1-10分钟将航行器朝固定点引导。若航行器越过固定点，那么其将在时间间隔结束时转向。连续的转向优选顺时针和逆时针，以减小扭转绳索的风险，并且每次转向都优选小到与避免扭转绳索相一致。另一种方法是指引航行器沿大致8字路径行进，其中路径的中心为固定点，而路径的垂直轴线与任意的洋流一致。航行器可沿每次转向之间的直线行进，而且连续的转向为顺时针和逆时针；以及，若在由路径的直部分界定的区域外所消耗时间是主要的，那么每次转向都优选小到与避免扭转绳索相一致。 
在许多应用中，不必控制航行器的速度。然而，若希望这样控制，那么例如可通过诸如控制鳍板的冲角、允许鳍板与水面平行和保持鳍板刚硬等措施来提供，以便例如当期望较小推力时采取措施来降低其效率。如果在游动物主体的两侧都有鳍板，那么可使用这些措施来操纵游动物。 
保存及使用 
为了使游动物更便于保存和运输，在鳍板和游动物主体之间的连接点可包括枢轴接合，该枢轴接合允许游动物以鳍板轴线与主体轴线相平行的方式保存，例如在罐内，而且还允许鳍板转动90°进入其工作位置。该接合可释放，并且配备有制动器或类似物，以便随后可在工作位置处锁紧鳍板。 
附图 
图1表示浮子11通过绳索31连接到游动物21。浮子包括主体111，其上安装有太阳能电池板112、GPS接收器113、天线114以及电子设备箱115。方向舵116固定于浮子的后部。绳索31为倒Y型，具有下分支311和312，该绳索31连接浮子和游动物。游动物包括具有头锥(nose cone)212的主体211。鳍板系统213和214安装在主体211外部。用于绳索分支311的电气通路(electrical pass-through)215、电池216、控制电子设备217、方向舵伺服机构218和方向舵杆通道219密封于主体211内。方向舵222安 装于游动物主体的后部，并且受方向舵执行杆221控制。 
图2和图3为可用于本发明的鳍板的截面。每个鳍板都包括可例如主要由金属片夹层复合材料(sheet metal sandwich composite)构成和/或具有钢芯的刚性前梁2131、可例如主要由金属和/或玻璃纤维构成的相对坚硬的中心板部分2134、以及相对柔软的尾板部分2135。在图3中，还有相对柔软的前板部分2133，并且柔软的尾板与柔软的外部夹套2136构成一整体。可利用例如铆钉2132的紧固件将各个部分结合或保持在一起。 
图4是绳索31的截面，绳索31包括拉伸构件(tensile member)313、六个双绞线绝缘电导体314和流线型的聚合物夹套315。 
图5是用于指引航行器沿期望路径行进的控制系统的框图。也可使用其它的控制系统。 
图6表示大致上的8字型路径，航行器反复以此行进来保持其位于围绕固定点2的目标区域内(除非当它转向区域外时)。路径的轴线与洋流一致。航行器沿点1和3之间的直路径行进，经过点2。在点3处，航行器上的控制系统注意到航行器已经到达目标区域的周界，并且运行方向舵，以使得航行器在点3和4之间逆时针转向。然后，航行器沿点4和5之间的直路径行进，再次经过点2。在点5处，控制系统运行方向舵，使得航行器在点5和1之间顺时针转向。若除了波浪能之外，还有风和/或水流移动航行器，那么需要辅助推进装置来将航行器保持于目标区域内。 
图7是游动物21和绳索31的透视图。两个基本等同的鳍板系统固定于游动物主体211，每个鳍板系统都包括刚性的垂直柱226和鳍板213。绳索分支311和312连接到柱226的顶部。每个鳍板都包括相对刚性的前梁2131和相对柔软的后部部分2135，前梁2131和后部部分2135的形状应使得无需冲击游动物主体，鳍板也能够操作；鳍板任选地包括一个或多个中间部分(未显示)，该中间部分具有相对更大或更小的柔性。铰链结构2262栓接到每个前梁2131，并且围绕固定到柱226的枢轴转动。四个扭力杆2263中的每一个扭力杆的一端固定至其中一个垂直柱，而另一端固定至前梁的所选位置，以提供在前梁转动范围内的期望控制角度。例如，每个鳍板可具有通常如图2或图3所示的截面。刚性垂直鳍板222和223 分别固定于游动物主体的尾端和前端。鳍板223固定。可控制鳍板222围绕垂直轴线转动。 
图8表示当因波浪运动而向上和向下拉动游动物时图7中鳍板形状的变化。 
图9是游动物21和绳索31的透视图，而图10是图9的部分的放大透视图。两个基本等同的鳍板系统固定于游动物主体211，每个鳍板系统都包括刚性的垂直柱226和鳍板213。每个鳍板都包括相对刚性的前梁2131和相对柔软的后部部分2135，前梁2131和后部部分2135的形状应使得无需冲击游动物主体，鳍板也能够操作；鳍板任选地包括一个或多个中间部分(未显示)，该中间部分具有相对更大或更小的柔性。铰链杆2262栓接到每个前梁2131。杆2265固定于铰链杆2262。每个杆2265的一端转动地固定于每个柱226顶部的枢轴，而另一端转动地固定于纵向杆2266，该纵向杆2266连接了连接到相应柱的杆2265。弹簧2267固定于游动物主体，且固定于杆2266。绳索31固定于纵向杆2266。刚性垂直鳍板222和223分别固定于游动物主体的尾端和前端。鳍板223固定。可控制鳍板222围绕垂直轴线转动。在类似的实施方案中(未显示)，弹簧转动地连接到杆2265，而不是连接到杆2266。 
图11A至11D表示当因波浪运动而向上和向下拉动游动物时图9中鳍板形状的变化。在图11A中，游动物正被向上拉动；绳索张力增加，并且向上拉动杆2266，使得弹簧2267伸长；鳍板的前缘向下转动，且鳍板的尾部向上卷曲，产生来自鳍板底面的推力；以及游动物主体向上移动。在图11B中，绳索张力仍然较高；当鳍板前缘的转动达到其机械极限后，鳍板的尾部向下卷曲，产生来自鳍板顶面的推力；游动物继续上升。在图11C中，绳索张力减少；弹簧2267向下拉动2266；鳍板的前部向上转动，并且鳍板的尾部向下卷曲，产生来自鳍板顶面的推力；且游动物向下移动。在图11D中，绳索张力仍然较低；鳍板的前部继续向上转动，且鳍板的尾部向上卷曲，产生来自鳍板底面的推力；且游动物继续向下移动。 
图12-21表示本发明的不同水面航行器的游动物。在每一种中，游动物21具有重心230，并且包括游动物主体211、头锥212和方向舵222。 鳍板系统固定于游动物主体，该鳍板系统包括垂直柱226和一个或多个鳍板，每个鳍板包括两个或多个柔软的内部部分2133、刚性部分2134和柔软的外部部分2135。 
在图12-16中，存在单根柱，且绳索31固定于柱的顶部。在图12-14中，单个鳍板的前缘固定于柱的中间位置。在图15和16中，单个鳍板的前缘围绕柱的中间位置处的枢轴点2261转动地固定。在图16中，制动器2268限制鳍板前缘的转动。 
在图17中，存在单根柱，该柱具有可转动地固定于其顶部的杆2265。鳍板的前缘固定于杆2265的一端，而绳索31固定于杆2265的另一端。固定于柱和杆的弹簧2267控制杆2265的转动。除了存在与鳍板相连的三根杆2265以外，图18与图17相类似，绳索31固定于顶杆，且固定于所有三根杆顶部和游动物主体的线路包括弹簧2267。图19有点类似于图18，只是连结鳍板的三根杆2265水平放置，并且每根杆的一端都可转动地固定于与两个垂直柱226相连的下部水平杆，而另一端可转动地固定于与两个垂直柱226相连的上部水平杆。固定于上部水平杆和游动物主体的弹簧2267控制杆2265的转动。 
在图20和21中，存在单根柱，该柱具有可转动地固定于其顶部的杆2265。鳍板的前缘固定于杆2265的一端。绳索31的下分支311和312固定于杆2265的端部，且分支312包括弹簧2267。杆2265的转动受到柔性线路2268的限制。水平固定的稳定鳍板225被固定于游动物主体的尾端。 
图22A-22C表示不同结构的游动物，其包括游动物主体21，该游动物主体具有刚性后部部分214，该刚性后部部分具有固定于其的水平固定稳定器225；中心部分228，其能够在垂直平面内弹性变形，但基本上不能在水平平面内变形；以及刚性前部部分212，其上固定有刚性鳍板213。绳索31固定于前部部分212。在图22A，游动物位于静止水中。在图22B中，游动物正向上拉动。在图22C中，绳索张力已降低，且游动物的重量在升力中心的前部，引起前部部分向下倾斜。 
图23表示工作方式类似于图22所示游动物的游动物。刚性鳍板213相对于刚性游动物主体211转动，并且绳索与柱226的顶部相连，该柱相 对于鳍板和游动物主体转动，并且在其底端承载稳定重物226。 
图24和25表示其中鳍板系统包括两个鳍板233的游动物，该两个鳍板围绕一致的轴线转动，并且在游动物主体的外部点处与绳索31的横向底部分支315和316相连接。如图24所示的游动物还包括在游动物主体前缘处的刚性固定的垂直鳍板223。 
图26A、26B和26C是水面航行器的游动物的顶视图、侧视图和正视图，以及图26D是图26B的正面放大视图。这些图显示了绳索31；具有头锥212、方向舵222和COG 230的游动物主体211；以及包括垂直柱226、水平杆2265和多个相同鳍板的鳍板系统。每个鳍板在枢轴点2261处可转动地连接到杆2265，并且借助于控制鳍板转动的弹簧2267固定至杆2265。每个鳍板包括大致刚性的前缘2131、相对坚硬的中心部分2134以及相对柔软的尾部2135。在类似的实施方案中，例如，鳍板的数量可为从3到8，诸如5，并且杆2265和弹簧2267可配置成使得每个鳍板的运动受到单根弹簧的控制。 
图27A-D表示当游动物经过其与水相互作用的不同阶段时游动物的不同姿态。航行器包括浮子11、绳索31、以及游动物21，该游动物21包括主体211和在主体211的两侧延伸的鳍板。鳍板围绕鳍板轴线2137转动，该鳍板轴线与绳索轴线成直角，并与游动物主体轴线2117成直角。鳍板具有弦轴2138，当航行器静止时(图27A)以及在滑行阶段中(图27C)，该弦轴2138与主体轴线2117平行，而在上升阶段中(图27D)，该弦轴2138与主体轴线2117成一角度。 

Claims (15)

1.一种鳍板系统，其适合于作为游动物的部分，所述游动物为波浪能水面航行器的部分，所述波浪能水面航行器包括（1）浮子，（2）所述游动物，以及（3）绳索，所述绳索连接所述浮子和所述游动物；
所述浮子、游动物和绳索应使得当所述航行器在静止水中时，（i）所述浮子在水面上或靠近水面，（ii）所述游动物潜入至所述浮子下面，以及（iii）所述绳索张紧；并且
所述游动物包括：
（2a）游动物主体，其具有纵向轴线，以及
（2b）所述鳍板系统，所述鳍板系统（a）固定于所述主体，（b）包括鳍板，以及（c）当所述航行器处于具有波浪的水中时，
（i）具有因波浪运动而变化的结构，以及
（ii）与水相互作用，以产生倾向于使所述游动物在有水平分量的方向上移动的力；
所述鳍板系统包括：
（1）刚性杆，其具有纵向轴线；
（2）多个所述鳍板，每个鳍板（i）安装到所述刚性杆，（ii）围绕与所述刚性杆的纵向轴线成横向的旋转轴线可转动，以及（iii）在所述刚性杆的两侧上横向地延伸，以及
（3）多个弹性部件，其不是所述鳍板的部分，每个所述弹性部件连接到所述刚性杆和鳍板，并影响其连接到的所述鳍板的旋转速度和/或程度。
2.根据权利要求1所述的鳍板系统，其中所述弹性部件选自金属螺旋弹簧、金属板簧和金属扭杆。
3.根据权利要求1所述的鳍板系统，其中所述弹性部件为弹簧，所述弹簧将阻止由静止位置向两侧的转动。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的鳍板系统，其中所述弹性部件从所述刚性杆上的固定点延伸到所述鳍板上的固定点。
5.根据权利要求4所述的鳍板系统，其中所述刚性杆上的固定点在所述横向的旋转轴线的尾部，且所述鳍板上的固定点在所述横向的旋转轴线的尾部。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的鳍板系统，包括3到10个基本上等同的鳍板。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的鳍板系统，其中每个所述鳍板是一般层状且可弹性变形的，且具有前缘，所述鳍板包括：（i）相对刚性的中心部分，以及（ii）可相对变形的外侧部分。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的鳍板系统，其中每个所述鳍板至少部分地大致上是刚性的。
9.一种波浪能水面航行器，包括：（1）浮子，（2）游动物，以及（3）绳索，所述绳索连接所述浮子和所述游动物；
所述浮子、游动物和绳索应使得当所述航行器在静止水中时，（i）所述浮子在水面上或靠近水面，（ii）所述游动物潜入至所述浮子下面，以及（iii）所述绳索张紧；以及
所述游动物包括：
（2a）游动物主体，其具有纵向轴线，以及
（2b）如权利要求1至8中任一项所述的鳍板系统，所述鳍板系统固定于所述游动物主体，且所述刚性杆的纵向轴线与所述游动物主体的纵向轴线一致。
10.根据权利要求9所述的波浪能水面航行器，其中（1）所述浮子包括基于卫星的定位传感器，且（2）所述游动物包括（a）感知水平面内方向的水平传感器，以及（b）转向致动器；且所述航行器还包括计算机系统，所述计算机系统（a）连接到所述定位传感器、所述水平传感器和所述转向致动器，（b）包含或经编程后包含指令，以响应于从所述定位传感器和所述水平传感器所接收的信号，或响应于从所述航行器上的另外的传感器所接收的信号而控制所述转向致动器，所述另外的传感器不同于所述定位传感器和所述水平传感器。
11.根据权利要求9所述的波浪能水面航行器，其中所述浮子包括用于可逆地改变所述浮子的浮力的装置。
12.根据权利要求9、10和11中任一项所述的波浪能水面航行器，所述波浪能水面航行器包括检测和校正所述绳索的扭转的装置。
13.一种利用波浪能的方法，包括将根据权利要求10所述的波浪能水面航行器放置于具有或期望具有沿其表面行进的水波浪的水体中。
14.一种获得信息的方法，包括分析由权利要求10所述的波浪能水面航行器所获得或记录的信息。
15.一种用于控制水面航行器的功能的方法，用于控制根据权利要求10所述的波浪能水面航行器的功能，所述方法包括：向所述波浪能水面航行器发送信号。
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