A Comment on "Optimal Stroke Patterns for Purcell's Three-Link Swimmer"
O. Raz, J. E. Avron
对于足够大的纵横比，我们发现更好的笔画模式比D。Tam和A.P. Hooper在给PRL的信中写道：“Purcell三连杆游泳者的最佳划水模式”。
For large enough aspect ratio, we find better stroke patterns then the patterns proposed by D. Tam and A.P.Hosoi in their letter to PRL "Optimal Stroke Patterns for Purcell's Three-Link Swimmer".
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
Purcell swimmer near a wall
研究墙壁与二维Purcell三连杆游泳者之间的流体动力学相互作用，通过修正的阻力系数推导运动方程，并利用几何控制理论证明系统在接近墙壁的配置下可控，同时研究倾斜配置并展示相对于初始方向的净位移。
A geometric theory of swimming: Purcell's swimmer and its symmetrized cousin
我们开发了一个定性的几何方法，游泳在低雷诺数，避免求解微分方程，而不是使用景观图的两个概念的曲率：游泳曲率和曲率来自耗散。这种方法提供了完整的信息，游泳的游泳者在一条线上没有旋转，并给出了主要的定性特征，一般游泳者也可以旋转。我们说明这种方法的对称版本的珀塞尔的游泳者，我们解决了细长体理论内的基本分析手段。然后，我们应用该理论推导出的基本定性性质的Purcell的游泳者。
Surface tank-treading: propulsion of Purcell's toroidal swimmer
在这项工作中，我们解决的“吸烟环”推进技术，最初提出的E。M.珀塞尔我们首先考虑自我运动的甜甜圈形状的游泳提供动力的表面坦克踩。假设不同的表面运动模式，并确定推进速度和游泳效率。游泳者被逆着其外表面运动的方向推进，内表面几乎没有影响。最简单的游泳模式对应于恒定的角速度，可以实现高达66%的表面坦克踩踏速度和游泳效率高达13%。更高的效率是可能的更复杂的模式，通过旋转的可延伸表面。一个潜在的实际设计的游泳运动员的动机Purcell的想法，提出并证明了数值。最后，显式解的两维游泳者组成的两个反向旋转的磁盘，使用复变量技术。
Optimal Strokes of Low Reynolds Number Linked-Sphere Swimmers
对于在流体环境中无外力或扭矩的情况下推进自身的微生物和微型机器人，最佳步态设计是重要的。最简单的形状变化模型是那些由一系列链接的球体组成的模型，这些球体可以改变它们的间距和大小。我们研究了现有的三个链接球类型的建模游泳运动员在低雷诺数牛顿流体中使用渐近分析的动力学，并通过求解欧拉-拉格朗日方程使用射击法获得其最佳的游泳行程。数值结果表明：（1）在最少2个变形自由度的情况下，采用混合变形模式的模型游泳者比采用单一变形模式的模型游泳者效率更高;（2）随着球体数目的增加，游泳效率大幅度降低。表明在低雷诺数运动中，形状变形的更多自由度可能不是最佳步态设计的好策略。
The role of body flexibility in stroke enhancements for finite-length undulatory swimmers in viscoelastic fluids
研究了被动体动力学对复杂流体中游动微生物运动学的影响。渐近分析的小振幅运动的有限长度波动的游泳者在Stokes-Oldroyd-B流体被用来预测形状的变化，导致身体弹性和流体弹性的变化。从分析的结果进行了比较与数值模拟，和形状变化的小振幅分析是定量准确的小振幅和大振幅，即使是强弹性流。我们计算中风引起的游泳速度，占形状的变化，但没有额外的影响流体弹性。弹性引起的形状变化导致较大幅度的中风足够软的游泳者在粘弹性流体中，这些中风的提升，可以导致游泳速度，但我们发现，流体弹性的额外影响一般减慢游泳者。在强弹性流中的高振幅冲程导致了一个性质上不同的制度，其中高度集中的弹性应力在游泳者身体附近积累，并且可以看到戏剧性的减速。
Optimization and small-amplitude analysis of Purcell's three-link microswimmer model
本文利用微扰展开法研究了Purcell三连杆微型游泳器在粘性流中的运动。领先的顺序表达式和下一阶校正项的游泳运动员的位移得到的情况下，一个正方形或圆形的步态在平面上的关节角。校正项表明，对于大冲程振幅，运动方向发生了逆转，这在以前仅用数字表示。此外，Lighthill的能量效率的渐近表达式得到两种步态。这些近似值能够计算最佳的划水幅度和游泳者的几何形状（即，连杆长度的比率），以使位移或莱特希尔效率最大化。
Kinematics of a simple reciprocal model swimmer at intermediate Reynolds numbers
我们计算研究的运动学的一个简单的模型互惠游泳者（不对称哑铃）作为雷诺数（Re）的函数，并调查如何发病和逐渐增加的惯性影响游泳行为：在游泳方向，流动方向和游泳行程的逆转。我们将游泳划水分为两个领域的扩张和压缩，并将它们与力量和恢复划水联系起来。我们发现，游泳方向的开关也对应于电源和恢复中风的开关。我们得到的平均游泳速度的表达式崩溃的净位移在膨胀和压缩幂律关系的Re，游泳者的振幅，和两个球体之间的距离。分析流体流动，我们看到在膨胀期间的平均流场总是类似于推动器，而压缩总是类似于拉动器，但是当在整个循环中平均时，占主导地位的流动是在做功冲程期间发生的流动。我们还将动力冲程和恢复冲程与膨胀和压缩期间的游泳效率相关联，并且我们发现，令人惊讶的是，动力冲程并不总是比恢复冲程更有效。我们的研究结果可能对生物学和最终设计人工游泳者具有重要意义。
Reciprocal swimming in granular media: the role of jamming and swimmer inertia
研究扇贝状游动者在颗粒介质中的推进机制，用粒子模拟和离散元方法，揭示堵塞及惯性作用下的两种推进机制，量化相关因素，发现其与净位移的关系及不同冲程的特点。
Physics of Rheologically-Enhanced Propulsion: Different Strokes in Generalized Stokes
剪切稀化是许多生物流体（例如粘液）的重要流变性质，由此流体的表观粘度随着剪切而降低。某些微观游泳者已经被证明可以通过剪切稀化流体更快地前进，但是这种行为对所有微观游泳者都是通用的吗？剪切稀化流变学通过什么物理机制影响游泳者的推进力？我们研究游泳运动员采用规定的中风运动学在二维，惯性Carreau流体：剪切稀化“广义斯托克斯”流。游泳者建模，使用的方法femlets，由一组沉浸，正规化的力量。控制流体动力学的方程，然后在贴体网格上离散，并用有限元法求解。我们分析了三种不同类型的微型游泳者的运动：（1）概念游泳者，包括采用一维和二维中风的滑动球体，（2）滑速包络模型的纤毛虫通常被称为“蠕动”和（3）单鞭毛推进器，如精子。我们发现，形态相同的游泳运动员与不同的中风可能会游得更快或更慢的剪切稀流体比牛顿流体。我们解释这种运动学的敏感性，通过考虑周围的推进和有效载荷元素的游泳者的流体的粘度的差异，并使用这种见解，建议两个相互滑动的球体游泳者违反珀塞尔的扇贝定理在剪切稀化流体。我们还表明，剪切稀化流变学所产生的流量衰减率增加与滑动速度蠕动的游泳速度的减少。对于像精子一样的游泳者来说，沿着鞭毛由厚到薄的流体梯度改变了它施加在流体上的力，使轨迹变平，并增加了瞬时游泳速度。
Nonreciprocal model swimmer at intermediate Reynolds numbers
异时性游泳是指具有小的相位滞后的肢体的连续跳动，在各种尺度的许多生物体中观察到，但大多数研究都是在高或低雷诺数的限制下进行的。的动机是游泳的卤虫，中尺度的有机体，在中间雷诺数，我们计算研究了一个简单的非互惠的二维模型，进行异时游泳。我们的游泳者是由两对以相位差跳动的桨组成的，这两对桨对称地连接在扁平身体的两侧。数值求解了纳维-斯托克斯方程，并采用浸入边界法模拟了流体与游泳者之间的相互作用。为了研究惯性和几何形状的影响，我们在$Re = 0.05 - 100$范围内进行了不同桨距和雷诺数的模拟。在所有情况下，我们观察到来回运动在周期和有限的周期平均游泳速度在稳定状态。有趣的是，我们发现游泳者的游泳速度对$Re$具有非单调依赖性，在$Re\approx1$附近具有最大值，在$Re=20-30$之间具有平坦的最小值，并且最终增加为$Re>35$。为了更深入地了解这种关系背后的机制，我们首先将游泳运动员的游泳行程和每个划桨分解为动力和恢复行程，并表征向前和向后运动。与往复式游泳者不同，在这里，对于周期的一部分，两个划桨之间存在竞争-平衡导致净运动。然后，我们研究了周期平均，以及，功率冲程平均和恢复冲程平均的流体流量，并在流体场的非单调行为的游泳速度的相关差异。我们的研究结果表明，存在不同的运动机制，发展为惯性增加的中间Re范围内。
Efficiency limits of the three-sphere swimmer
我们考虑一个由三个球体组成的共线集合体，球体之间由两根细长的杆连接。这个游泳者可以通过改变杆的长度来推动自己前进，这种方式在时间逆转的情况下是不恒定的。虽然手臂的任何非往复划水都可能导致净位移，但游泳者的能量效率在很大程度上取决于这些划水的细节和顺序，以及球体的大小。我们使用莱特希尔标准定义游泳者的效率，即，用外力以一定速度拉动游泳者所需的力量除以以相同平均速率主动游泳所需的力量。在这里，我们确定数值的最佳行程序列和最佳的大小比的领域，同时限制杆的最大延伸。我们的计算同时考虑了远场和近场流体动力学相互作用。我们发现，令人惊讶的是，三个球体的游泳者与不等的领域可以更有效的比相等大小的情况下。我们还发现，效率随尺寸比的变化不是单调的，存在一个特定的尺寸比，在该尺寸比下，游泳者具有最高的效率。我们发现，游泳效率最初增加的最大允许延长杆，然后收敛到一个最大值。我们计算这个上限分析和报告的最高值的效率，三球游泳者可以达到。
Boosting micromachine studies with Stokesian Dynamics
人工微游泳者，纳米和微型机器人，在从工程到生物学和医学的许多应用中是必不可少的。我们提出了一个斯托克斯动力学研究的动力学特性和效率的一个最简单的人工游泳者，三个链接的领域游泳者（TLS），广泛地被证明是一个很好的和模型的例子变形的微型机器。两个不同的游泳行程的结果进行比较，一个近似的解决方案的基础上点力的相互作用。虽然这种近似精确地再现了长臂和小幅度划水的游泳者的解，但当划水的幅度使得球体靠近在一起时，这种近似就失败了，这种情况确实获得了最大的效率。我们发现，游泳运动员与“正方形划水周期”的结果更有效的比那些与“圆形划水周期”当游泳运动员的手臂是较长的相比，球体半径，但两种泳姿之间的差异较小时，游泳运动员的手臂是短的。TLS的扩展理论研究采用了更精确的描述游泳者流体动力学，证明了考虑有限大小的本构微泳者球体的相关性。这项工作预计将引发未来的创新步骤，有助于微和纳米机器及其应用的设计。
Squirmer locomotion in a yield stress fluid
对宾汉粘塑性流体中的轴对称蠕动体进行了数值研究，以确定屈服应力环境对运动的影响。控制方程的非线性需要数值方法，这是通过用有限元方法求解变粘度Stokes方程来实现的。中风模式的影响，无论是纯的和组合，进行了研究，它被发现，跑步机或“中性”模式，在屈服应力流体中的游泳者具有较低的游泳速度，并使用更多的权力。然而，游泳的效率在有限的屈服极限处达到最大值。此外，对于更高的屈服极限，更高的冲程模式可以增加跑步机游泳者的游泳速度和流体动力学效率。高阶奇数蠕动模式，特别是第三冲程模式，可以通过自身产生推进力，其强度随着粘塑性非线性的增加而增加，直到特定的极限。这些结果是密切相关的约束效应引起的粘塑性刚性表面周围的游泳身体，表明游泳者在粘塑性环境中，生物和人工，可能会采用其他非标准的游泳策略，以优化他们的运动。
A rigorous proof of the scallop theorem and a finite mass effect of a microswimmer
我们重新考虑了在Stokes流中自推进游泳者的流体动力学。在给出游泳运动员变形的精确定义的基础上，给出了包含身体转动的Purcell扇形定理的证明。利用微扰展开方法讨论了有限Stokes数下定理的失效，发现失效一般发生在Stokes数的一阶.此外，采用Purcell的“扇贝”模型，我们证明了定理成立，以更高的顺序，如果中风的游泳运动员有一定的对称性。
Stokesian swimmers and active particles
本文在低雷诺数双线性游动理论的框架内研究了畸变球体的净稳态流型。有人认为，相互作用的活性粒子的理论的出发点应该是基于这样的计算，因为任何任意选择的稳态流型不一定是游泳运动的结果。此外，它强调，作为一项规则，中风的阶段是相关的水动力相互作用，因此，净流模式必须谨慎使用。
Energy-optimal strokes for multi-link microswimmers: Purcell's loops and Taylor's waves reconciled
大尺度的游泳者在惯性可以忽略不计的范围内运动，由粘性阻力主导。在本文中，我们制定了一个细长的多链接（N-链接）的微型游泳器假设其直配置的小幅度波动的领先阶动力学。在给定的时间段内实现给定的规定位移的能量最优行程作为约束最优控制问题的最大特征值解。值得注意的是，最佳行程是位于关节角度的（N-1）维空间中的二维平面内的椭圆，其中N可以任意大。对于较大的N，最佳冲程是弯曲模边缘效应的行波。如果形状变量的数量是小的，我们可以考虑相同的问题时，在一个时间段内的规定的位移是大的，而不是通过小的变化的关节角度。完全非线性最优控制问题的数值求解的情况下N=3（Purcell的三连杆游泳者）和N=5，显示，作为规定的位移变得很小，使用小振幅的假设得到的最优解被恢复。我们还表明，当规定的位移变得很大，图片是不同的。对于N=3，我们恢复非凸平面循环已经从以前的研究。对于N=5，我们得到非平面的循环，提出了问题的复杂高维循环的几何特征。
Parking 3-sphere swimmer II. The long arm asymptotic regime
本文继续我们以前的调查补充版本的Purcell的转子：低雷诺数游泳组成的三个球的半径相等。在渐近制度的很长的武器，斯托克斯诱导的管理动态推导，然后实验的背景下，能量最小化的自推进的特点在第一部分的文件。
Optimizing Metachronal Paddling with Reinforcement Learning at Low Reynolds Number
该研究用强化学习考察零雷诺数游泳者的肢体协调，发现桨板间距决定所学模式，而从后向前的波状划水始终效率最高。
Optimal control of a swimming robot based on Purcell's microswimmer model
本研究基于珀塞尔微泳者模型，构建高粘性流体中三连杆游泳机器人变体，应用庞特里亚金最大值原理结合数值方法，求解位移与能量效率最优步态，为机器人最优控制提供方案。
A circle swimmer at low Reynolds number
在低雷诺数条件下，在各种情况下都会出现绕圈游泳现象。在这里，我们提出了一个简单的模型进行圆周运动的游泳者，概括的模型，线性游泳者提出的Najalan和Golestanian（物理学评论E 69，062901（2004））。我们的模型由三个固体球体排列成三角形，由两个时间依赖性长度的链接连接。对于小的中风，我们讨论的运动的游泳者作为其链接之间的分离角的函数。我们发现，游泳运动员描述顺时针或anticipatory圆周运动取决于倾斜角度在一个非平凡的方式。游泳者的对称性导致了远场流场的四极衰减。我们讨论了我们的模型的潜在扩展和实验实现。
Enhanced diffusion by reciprocal swimming
珀塞尔的扇形定理指出，游泳者以时间可逆的方式（“往复”运动）变形他们的形状不能游泳。使用数值模拟和理论计算，我们在这里表明，在一个波动的环境中，互惠游泳者经历，在时间尺度上大于他们的旋转扩散，扩散动力学增强扩散系数，可能由数量级，高于正常的平移扩散。因此，往复致动确实导致了对诸如海洋细菌的小生物体的非运动行为的显著优势。
Navigation of a Three-Link Microswimmer via Deep Reinforcement Learning
本研究提出基于强化学习的三连杆微型游泳者导航策略，设计了最大化速度与平衡能耗两种方案，验证了RL在复杂微型游泳者步态设计与多任务自适应导航中的潜力。
Geometric visualization of self-propulsion in a complex medium
结合几何力学理论、实验室机器人实验和数值模拟，研究了最简单的非惯性游动机器人--Purcell三连杆游动机器人在颗粒介质中的运动.使用颗粒阻力定律作为输入，该理论将身体的平移和旋转与形状变化（连杆的运动）联系起来。这允许通过实验验证的有效运动的分析、可视化和预测。几何方法也有利于比较游泳GM和粘性流体。
Dynamics of Purcell-type microswimmers with active-elastic joints
本研究扩展Purcell三链微游泳器模型，引入主动弹性关节，数值分析揭示周期解多重性、方向反转及分岔等丰富非线性动力学，并推广至六链模型。
Unsteady feeding and optimal strokes of model ciliates
由游动的微生物产生的流场不仅使它们能够运动，而且还导致营养物质的平流运输。在本文中，我们解决分析和计算之间的联系不稳定的喂养和不稳定的游泳模型微生物，球形蠕动，驱动流体的时间周期性的方式。我们首先进行渐近计算在低Péclet数（Pe）的对流扩散问题的营养物质。我们发现，即使在平均不发生游动的情况下，平均摄食率及其随时间的波动也只取决于蠕动动物的游动模式，直到Pe^（3/2）阶，而非游动模式的影响只在Pe ^2阶时才出现。我们还表明，一般来说，我们预计喂养和游泳的1/8期间的相位延迟。在有限Pe的说明性中风的数值计算定量证实了我们的分析结果连接游泳和喂养。最后，我们推导出，并使用，伴随为基础的优化算法来确定最佳的非稳定冲程最大化的饲料率为一个固定的能量预算。总体上最佳的喂食者总是最佳的稳定游泳者。在一组时间周期性的中风，最佳的喂养中风被发现是相当于那些优化周期性游泳的所有值的Péclet数，并对应于一个正规化的整体稳定的最佳。
扫码添加微信好友，提出您的宝贵建议 👇
💡 备注请填写：网站反馈
发表机构由 AI 从论文文本抽取，如发现错误，欢迎反馈修正建议。