Characteristics of undulatory locomotion in granular media
波动运动在自然界中普遍存在，并在不同的介质中观察到，从生物液体中有鞭毛的微生物的游泳，到陆地上蛇的滑行，或沙鱼蜥蜴在沙子中的运动。尽管波动模式相似，但游泳特性取决于不同介质的流变特性。运动的颗粒状材料的分析是相对不发达的流体相比，部分是由于缺乏有效的力模型，但最近的颗粒状介质中的阻力理论已被提出，并显示出有用的研究运动的沙泳蜥蜴。在这里，我们采用所提出的模型来研究游泳特性的细长细丝，有限和无限长，起伏在颗粒介质中，并比较结果与游泳粘性流体。特别是，我们的特点漂移和俯仰推进速度和效率方面的影响，为有限的正弦游泳。我们还发现，类似于莱特希尔的结果，在粘性流体中使用阻力理论，在颗粒介质中，在给定的功耗下，推进速度的最佳波形是游泳者。这些结果补充了我们对波动运动的理解，并为颗粒介质中运动系统的有效设计提供了见解。
2015-11-05 physics.flu-dyn
Undulatory swimming in viscoelastic fluids under confinement
该研究以秀丽隐杆线虫为模型，实验探究受限条件下粘弹性流体中的波动式游动行为，结合弹性细丝理论揭示了受限强度与魏森贝格数对应力响应及游动速度的调控机制。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Separability of drag and thrust in undulatory animals and machines
近一个世纪以来，研究人员一直试图从游泳运动的向前推力和身体阻力之间的平衡来理解水生动物的游泳。先前的方法未能为诸如七鳃鳗和鳗鱼的波动游泳者提供这两种力的分离，其中身体的大部分部分同时产生阻力和推力。尽管如此，我们表明，这种分离是可能的，并描绘其波动游泳者的基本基础。我们的方法统一了各种各样的波动水生动物（鳗形，亚carangiform，gymnotiform，ballistiform，rajiform），并提供了高度灵活的仿生水下航行器的设计原则。这种方法在生物学和工程学中具有实际效用。它是一种预测工具，用于理解运动力学在与运动相关的形态特征的进化出现中的作用。例如，我们证明，牵引推力分离框架有助于预测所观察到的高度的带状鳍电刀鱼，不同的一组新热带鱼类，这是一个重要的模型系统，在感觉神经生物学。我们还展示了如何牵引推力分离导致模型，可以预测游泳速度的生物体或机器人车辆。
2014-02-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Enhanced locomotion, effective diffusion, and trapping of undulatory micro-swimmers in heterogeneous environments
游泳细胞和微生物必须经常在复杂的流体中移动，这些流体包含浸没的微观结构，如聚合物分子或细丝。在许多重要的生物过程中，如哺乳动物繁殖和细菌感染，浸没的微结构的大小与游泳细胞的大小相当。这导致离散的游泳者微结构的相互作用，改变游泳者的路径和速度。在本文中，我们使用详细的模拟和数据驱动的随机模型相结合，以检查运动的平面波动游泳者在球形障碍物的环境中，通过线性弹簧拴在运动平面中的随机点的运动。我们发现，根据环境参数，与障碍物的相互作用既可以提高游泳速度，也可以阻止游泳者移动。我们还展示了离散的相互作用如何产生平移和角速度波动，随着时间的推移，导致扩散行为主要是由于游泳和旋转扩散的耦合。我们的研究结果表明，直接的游泳者微结构的相互作用可以产生游泳者运动的变化，可能有重要的影响，细胞群的传播，或捕获有害病原体的复杂流体。
2018-08-03 physics.flu-dyn
Undulatory locomotion of finite filaments: lessons from C. elegans
波动游动是许多小尺度生物包括各种单细胞真核生物和线虫广泛采用的推进策略。在这项工作中，我们报告了一个全面的研究波动运动的一个有限的细丝使用（i）近似阻力理论（RFT）假设的本地性质的细丝和周围的粘性液体之间的流体动力学相互作用，和（ii）粒子为基础的数值计算，考虑到内细丝的流体动力学相互作用。使用传播正弦波形的普遍存在的模型，我们确定RFT的适用性的限制，并确定最佳的推进步态方面（i）游泳距离每周期的波动和（ii）流体动力推进效率。在基于粒子的计算中，在有限波长处最大化流体动力学效率的最佳游泳步态的发生偏离RFT的预测。为了比较由正弦波波动提供动力的模型游泳者与生物波动游泳者，我们采用基于粒子的方法来研究模式生物线虫秀丽隐杆线虫的运动，使用从实验中提取的游泳步态。分析结果表明，尽管波动的幅度和波数与表现最好的正弦游泳运动员相似，但C。elegans在排量和流体动力效率方面都优于后者。与其他波动微生物的进一步比较表明，许多采用波形的特征类似于最佳模型游泳者，但真正的游泳者仍然设法击败表现最好的正弦波游泳者在每个周期覆盖的距离。总的来说，我们的结果强调了进一步波形优化的重要性，因为C。线虫和其他生物体明显偏离简单的正弦波。
2013-07-01 physics.flu-dyn
Enhanced active swimming in viscoelastic fluids
游动微生物通常在具有复杂流变性的流体中自推进。虽然过去的理论研究表明，流体的粘弹性应该会阻碍它们的运动，但最近对挥动游泳者的实验表明，运动可能会增强非牛顿运动。我们提出了一个物理机制，基于流体-结构相互作用，导致在粘弹性流体中以比牛顿流体更高的速度游泳。使用泰勒的二维游泳片模型，我们解决了作为外部流体应力，内部驱动力矩和被动弹性阻力之间的平衡的主动游泳者的形状。我们表明，这种动态平衡导致一个通用的过渡，从受阻刚性游泳增强灵活的运动。结果被物理解释为由于粘弹性吸力增加游泳振幅在非牛顿流体和克服粘弹性阻尼。
2014-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Undulatory swimming in suspensions and networks of flexible filaments
本研究模拟波动式游动者在三维弹性细丝悬浮液和网络中的运动，发现环境柔度和细丝浓度对游动速度有不同影响，速度提升源于流体动力学相互作用，下降则因细丝限制推进波振幅，结果与连续黏弹性流体模型更接近。
2024-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimum control strategies for maximum thrust production in underwater undulatory swimming
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systemes, École Centrale de Lyon（里昂中央理工学院）；Université Côte d’Azur, CNRS, INPHYNI（蔚蓝海岸大学）；Departamento de Física Fundamental, Universidad Nacional de Educación a Distancia（西班牙国立远程教育大学）；Université Côte d’Azur, CNRS, I3S（蔚蓝海岸大学）；IUF, Paris（法国高等研究学院）
本文通过仿生机器人研究了水下游泳中推力生成的最优控制策略，结合机器学习和直观模型，发现最优尾部拍打频率和幅度，为自主游泳机器人提供实用方案。
2024-03-25 physics.flu-dyn
Undulatory locomotion of {\it C. elegans} on wet surfaces
控制湿表面上波动运动的物理和生物力学原理在生理学、物理学和工程学中有重要的应用。线虫{ \it C. elegans）具有高度刻板和功能上不同的正弦运动步态，是剖析这些特性的极好系统。控制{ \it C.线虫在润滑表面上的爬行步态很少，这主要是由于难以估计线虫-凝胶界面处的物理特征。利用运动学数据和基于润滑理论的流体动力学模型，我们计算了线虫在琼脂凝胶表面爬行时的表面阻力和弯曲力。我们发现，在爬行过程中的法向和切向表面阻力系数分别约为220和22，阻力系数比约为10。在爬行过程中，计算的内部弯曲力是时间周期性和空间复杂的，表现出相对于线虫的身体弯曲曲率的相位滞后。这种相位滞后主要是由于粘性阻力，与在水性缓冲溶液中游泳相比，在爬行期间粘性阻力更高。在游泳或爬行过程中产生的弯曲力的空间模式与先前描述的肌肉中钙信号的步态特异性特征相关。此外，我们的分析表明，{ \it C. elegans}最有可能是由于线虫对以不同阻力系数比为特征的环境的适应性反应。
2011-12-05 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Locomotion of helical bodies in viscoelastic fluids: enhanced swimming at large helical amplitudes
研究了粘弹性流体中旋转螺旋体的运动。在无力游泳的情况下，粘弹性的引入可以提高或降低游泳速度和运动效率，这取决于身体的几何形状、流体性质和身体旋转速率。数值解的Oldrophil-B方程显示如何打破以前的理论预测与螺旋半径的增加或减少灯丝厚度。螺旋桨的大螺距角显示出增加的游泳速度在一个局部最大的德博拉数的顺序单位。数值结果表明，小振幅的理论计算连接顺利的大振幅的实验测量。
2013-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Investigation on the Performance of a Torque-driven Undulatory Swimmer with Distributed Flexibility
本研究采用浸入边界法二维模拟，探究前部受单一周期性扭矩驱动的分布式柔性波动游泳体在宽参数下的运动性能，明确身体刚度对低中俯仰角游泳性能的关键作用，为微型游泳机器人设计提供工程参考。
2023-12-19 physics.flu-dyn
Swimming speeds of filaments in nonlinearly viscoelastic fluids
许多微生物在其自然环境中游泳通过凝胶和非牛顿流体。在本文中，我们专注于微生物利用鞭毛推进。我们解决如何游泳速度在非线性粘弹性流体的影响，通过检查一个无限长的圆柱体在Oldrophil-B流体中的任意跳动运动的问题。我们解决了游泳速度的限制，其中从其直配置的圆柱体的偏转是小的相对于圆柱体的半径和波长的偏转;此外，圆柱体的半径是小的相比，波长的偏转。我们发现，游泳速度减少非线性粘弹性效应。我们应用这些结果来研究什么类型的游泳运动可以产生净平移在非线性流体中，相比牛顿的情况下，珀塞尔的“扇贝”定理描述了如何时间可逆性约束游泳运动是有效的。我们发现，领先的顺序违反扇贝定理发生往复运动，其中向后和向前的中风发生在不同的速率。
2010-04-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.CB
The effect of gait on swimming in viscoelastic fluids
本文利用功的互等定理给出了简化二维物体在复杂流体中的游动公式。通过这些公式，我们计算的游泳速度，由于最简单的这些机构，一个二维片上的小幅度变形，探索一般条件下的游泳步态下，片可能会移动得更快，或更慢，在粘弹性流体相比，牛顿流体。我们表明，在一般情况下，对于小幅度的变形，速度的增加只能实现多变形模式相反，滑移流。此外，我们表明，游泳速度的变化是直接由于游泳者产生的推力的变化。
2016-04-19 physics.flu-dyn
Effects of shear thinning viscosity and viscoelastic stresses on flagellated bacteria motility
鞭毛细菌在非牛顿介质中游动的行为仍然是一个具有矛盾和冲突结果的领域。我们报告的行为，野生型和平滑游泳E。大肠杆菌在牛顿、剪切稀化和粘弹性介质中的运动轨迹和游动速度，用三维实时跟踪显微镜进行测量。我们的结论是，在高浓度的甲基纤维素溶液中的速度提高是由于剪切稀化和分析模型来支持我们的实验结果。我们认为，剪切诱导的正常应力减少细胞游泳过程中的摆动行为，但不显着影响游泳速度。然而，正应力在缩短鞭毛成束时间从而改变游动速度分布方面起着重要作用。一个无量纲的数字，“扼杀数”（Str）的建议，并用于表征这种效果。
2020-04-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Small-amplitude swimmers can self-propel faster in viscoelastic fluids
许多小型生物体利用其身体或附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。例如，小型线虫利用全身波动在土壤中移动，或精子利用鞭毛波在粘液中游动。当自推进发生在非牛顿流体中时，一个基本问题是运动是否会比在牛顿环境中更快或更慢。在这里，我们考虑的一般问题，游泳使用小振幅周期波的粘弹性流体所描述的经典Oldrophil-B本构关系。使用泰勒的游泳片模型，我们表明，如果所有的行波在同一方向上移动，运动速度的生物体系统地降低。然而，如果我们允许波在两个相反的方向上行进，我们表明，这可能会导致游泳速度的提高，这在物理上被解释为由于具有不同频率的波的非对称粘弹性阻尼。游泳方向的改变也是可能的。通过详细分析使用两个或三个行波游泳的情况下，我们表明，游泳可以提高在粘弹性流体中的所有德博拉数低于临界值，或三个波或更多，只有一个有限的，非零范围内的德博拉数，在这种情况下，需要在流体中的弹性有限的量，以增加游泳速度。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Self-propulsion in viscoelastic fluids: pushers vs. pullers
我们使用数值模拟来解决运动在零雷诺数粘弹性（Giesekus）流体。假设游泳者是球形的，利用切向表面变形进行自推进，并且使用有限元方法进行计算。研究的重点是从牛顿流体到粘弹性流体的运动学、能量学和流动扰动的变化，以及推流者和拉流者的区别。在所有情况下，粘弹性游泳速度是低于牛顿的，与最小的韦森伯格数，$We$的中间值。对流场的分析表明，这种游动退化的根源在于非牛顿拉伸应力。游泳所需的功率也系统地低于牛顿功率，并且总是$We$的递减函数。详细的能量平衡的游泳问题点在聚合物部分的应力作为主要的$We$ -减少能量的贡献，而贡献的工作所做的游泳者从溶剂基本上保持$We$ -独立。此外，我们观察到负值的聚合物的功率密度在某些流动区域，表示积极的弹性工作的聚合物上的流体。流体动力学效率，定义为有用的总速率的工作，总是高于牛顿的情况下，在中间Weissenberg数获得最大的相对值。最后，聚合物应力的存在导致流体中的流速的衰减速率的增加，以及控制流体中的有效体应力的大小的小应力的大小的减小。
2012-12-01 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Thrifty swimming with shear-thinning
微尺度推进是许多生物医学系统的组成部分，例如生物膜形成和人类生殖，其中周围的流体包括聚合物的悬浮液。这些聚合物赋予流体非牛顿流变特性，如剪切稀化和粘弹性。因此，非牛顿流体的复杂动力学提出了许多建模挑战，强烈激励实验研究。在这里，我们表明，未能占“出平面”的影响时，通过剪切稀化流体的波动游泳的实验数据分析结果在一个显着高估模型游泳者C周围的流体粘度。优雅这种对粘度的错误计算对应于高估了游泳者消耗的力量，这是一个对理解游泳者内部力学很重要的关键生物物理量。随着实验流跟踪技术的改进，使用该技术的功耗的准确实验估计将出现在类似的波动系统中，例如人类精子通过宫颈粘液的平面跳动，将需要探测内部发电，流体流变学和所得波形之间的相互作用。
2018-06-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Well-posedness of a viscoelastic resistive force theory and applications to swimming
本文建立含流体黏弹性记忆项的不可伸长细丝演化模型，证明其适定性与周期解，并通过速度表达式和模拟揭示黏弹性对游动速度及方向的复杂影响。
2024-05-18 math.AP physics.flu-dyn
Undulatory underwater swimming: Linking vortex dynamics, thrust, and wake structure with a biorobotic fish
Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
研究通过生物仿生鱼实验，揭示了涡旋动力学、推力生成与尾迹结构之间的关系，建立了基于斯特劳哈尔数的通用模型。
2025-01-16 physics.flu-dyn
The mechanism of propulsion of a model microswimmer in a viscoelastic fluid next to a solid boundary
在本文中，我们研究的模式生物，所谓的泰勒的游泳片，在粘弹性流体接近固体边界的游泳。这种情况包括许多游泳微生物的自然栖息地，虽然以前的调查已经考虑了游泳的边界和游泳的粘弹性流体的影响，很少有这两种影响被同时考虑。我们重新回顾了Elfring和Lauga（Gwynn J.Elfring和Eric Lauga，Saverio E. Spagnolie，editor，Complex Fluids in Biological Systems，Springer New York，New York，NY，2015），并给出了对粘弹性（其倾向于减慢片材）和边界（其倾向于加速片材）的存在的影响的解耦的机械解释。我们还开发了一个数值谱方法，能够找到一个任意振幅和波形的波动片的游泳速度。我们用它来表明，上面提到的解耦不持有在有限的波振幅，并为某些参数的边界的存在下，可能会导致粘弹性效应，以增加微生物的游泳速度。
2018-01-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Material properties of of Caenorhabditis elegans swimming at low Reynolds number
在线虫\emph{Caenorhabditis elegans}中观察到的波动运动是低雷诺数状态下生物体的常见游泳步态，其中粘性力占主导地位。虽然线虫的运动性预计是其材料特性的一个强大的功能，测量仍然很少。在这里，\emph{C.} \emph{elegans}的游泳行为进行了研究，在实验和一个简单的模型。实验表明，线虫以周期性的方式游动，并产生从头到尾衰减的行波。该模型能够捕捉实验的主要特征，并用于估计线虫的杨氏模量$E$和组织粘度$η$。对于野生型\emph{C. elegans}，我们发现$E\approx 3.77$ kPa和$η\approx-860$ Pa $\cdot$ s;活的\emph{C. elegans}的$η$值为负值，因为组织产生而不是耗散能量。结果表明，材料特性是敏感的肌肉功能特性的变化，是有用的定量工具，更准确地描述新的和现有的肌肉突变体。
2009-11-09 physics.bio-ph physics.flu-dyn
On the cross-streamline lift of microswimmers in viscoelastic flows
本文研究了微游泳器在弱粘弹性流体压力驱动流中的动力学行为。采用二阶流体模型，我们表明，自我推进的游泳者经历的粘弹性游泳电梯除了众所周知的被动电梯，从它的阻力剪切流。使用互等定理，我们评估分析表达式的中性和推/拉型游泳者所经历的游泳升力，并表明它们取决于与游泳机制相关的流体动力学签名。我们发现，中性游泳者的中心线的重点是加速了两个数量级，而力偶极子游泳者没有净修改的跨流线迁移发生。
2021-09-27 physics.flu-dyn
Flagellar Kinematics and Swimming of Algal Cells in Viscoelastic Fluids
微生物的运动性受到它们与它们所居住的流体环境的流体动力学相互作用的极大影响。我们表明，通过直接的实验观察的双鞭毛的莱茵衣原体，流体的弹性和粘度强烈影响的跳动模式-步态-从而控制推进速度。流体的弹性使周期性弯曲的拍频和波速都得到了提高。尽管有这些改进，但对于足够弹性的流体，水母的净游泳速度受到阻碍。这种复杂的反应的起源在于弹性引起的变化之间的相互作用在鞭毛周期的空间和时间方面的建立和随后的松弛的弹性应力在功率和恢复中风。
2015-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
How fish power swimming: a 3D computational fluid dynamics study
在鱼的波动游泳中，肌肉沿着身体依次收缩以产生弯曲的波浪，该波浪推压水并产生推力。在这里，我们使用一个3D计算流体动力学模型耦合到规定的变形的鱼的运动，研究沿鱼的身体的基本机械量：力，扭矩和功率。我们发现，身体上的anguilliform游泳者和carangiform游泳者的力量占主导地位的反作用力，此外，在carangiform游泳者的尾鳍上的力占主导地位的阻力。扭矩表现出一种波的模式，传播速度比曲率波在这两个anguilliform和carangiform游泳，但波的速度更高的carangiform游泳。鳗形游泳者的力量输出集中在身体的前半部分，而在身体的后侧显著为负。相比之下，大部分的力量是由身体的后部产生的前脚的carangiform游泳。这些结果解释了在不同的游泳模式的鱼中观察到的肌电图模式的差异，并解释了在carangiform游泳者的肌腱功能。
2018-12-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Steering undulatory micro-swimmers in a fluid flow through reinforcement learning
这项工作的目的是寻找最佳的导航策略薄，可变形的microswimmer，在粘性流体中传播的正弦波动沿其细长的身体。这些活跃的细丝被嵌入在一个规定的，非均匀的流动，其中他们的游泳波动必须与漂移，应变和变形所造成的外部速度场竞争。游泳和导航紧密结合的这种复杂情况可以使用各种强化学习方法来解决。每个游泳者只能访问关于其配置的受限信息，并且必须相应地在有限集合中选择动作。然后，优化问题在于找到在给定方向上导致最有效位移的策略。据发现，通常的方法不收敛，这个陷阱被解释为一个综合的结果的非马尔可夫的决策过程中，连同高度混乱的性质的动态，这是负责学习效率的高变异性。尽管如此，我们还是提供了一种构建有效策略的替代方法，该方法基于运行几个独立的Q学习实现。这使得一组可接受的政策，其属性可以详细研究和比较，以评估其效率和鲁棒性的建设。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Formation of a strong negative wake behind a helical swimmer in a viscoelastic fluid
我们研究了螺旋形游泳者形状的影响（即，螺旋桨距角和尾部厚度）对恒定粘度粘弹性（Boger）流体中游泳动力学的影响。3D打印的螺旋游泳者使用定制的旋转亥姆霍兹线圈在磁场中致动。我们的研究结果表明，增加游泳者的尾巴厚度和俯仰角提高了标准化游泳速度（即，Boger流体中的游动速度与牛顿流体中的游动速度之比）。引人注目的是，与牛顿流体不同，游泳者周围的粘弹性流的特征在于形成前后流不对称，其特征在于游泳者下游的强负尾流。显然，负尾流的强度与标准化游泳速度成反比。用FENE-P模型对游泳者进行了三维模拟，模拟条件与实验条件相匹配，证实了游泳者周围类似的前后流不对称性的形成。最后，通过开发一个近似的力平衡在流向方向，我们表明，聚合物应力的贡献在内部区域的螺旋可能提供一种机制，游泳增强或减少的粘弹性流体。
2021-11-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A Swimming Rheometer: Self-propulsion of a freely-suspended swimmer enabled by viscoelastic normal stresses
众所周知，低雷诺数下的自推进受到限制，这一概念通常被称为“扇贝定理”。在这里，我们提出了一个真正的自我推进的游泳者（力和扭矩自由），而不能游泳的牛顿流体由于扇贝定理，推动自己在非牛顿流体作为流体弹性的结果。使用机器人游泳者，由一个“头”球和一个“尾”球，其游泳速度被证明是有合理的协议与微流体渐近理论和数值模拟证明了这种推进机制。纹影成像表明，推进的游泳者是由一个强大的粘弹性射流在尾部，这是由于发展的前后不对称的游泳者。优化的圆柱形和圆锥形尾翼的几何形状被证明是两倍的推进信号，相对于最佳的球形尾翼。最后，我们表明，我们可以使用这个机器人的观察来推断周围流体的流变特性。我们测量的剪切速率小于1赫兹的主要正应力系数，并显示合理的协议与外推台式测量（0.8至1.2帕秒2之间的差异）。我们还讨论了如何我们的游泳者可以用来测量第二法向应力系数和其他流变性能。该研究通过实验证明了“游泳流变仪”的令人兴奋的潜力，将被动物理驱动的流体传感应用于化学和生物工程中的许多应用。
2021-11-20 physics.app-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
Modeling and Computational Fluid Dynamics Validation of a Nonholonomically Constrained Two-Rigid-Body Swimming System
本文提出了一种基于非holonomic约束的双刚体游泳模型，通过CFD验证展示了其在不同雷诺数下对游泳动力学的准确捕捉能力。
2025-11-25 physics.flu-dyn
The cost of swimming in generalized Newtonian fluids: Experiments with C. elegans
许多自然过程取决于微生物在具有非牛顿流变学的流体中游动的能力。在这里，我们使用的模式生物秀丽隐杆线虫和跟踪方法进行实验研究的动态波动游泳剪切稀化流体。理论和模拟已经提出，与相同零剪切粘度的牛顿流体相比，剪切稀化流体中的游泳或机械动力的成本应该更低。我们的目的是提供一个实验调查的成本在剪切变稀流体游泳（i）的游泳者的机械功率的估计和（ii）流场的粘性耗散率，这应该产生等效的结果为自推进的低雷诺数游泳者。我们发现在剪切稀化流体中游泳的成本小于或等于在相同零剪切粘度的牛顿流体中游泳的成本;此外，在剪切稀化流体中游泳的成本与流体的有效粘度成比例，并且可以使用流体流变学和简单的游泳运动学来预测。我们的结果与之前的理论预测相当一致，并为理解在广义牛顿流体中游泳的成本提供了一个框架。
2016-10-18 physics.flu-dyn
Reciprocal swimming in viscoelastic granular hydrogels
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）；University of Michigan（密歇根大学）；Otto von Guericke University Magdeburg（马格德堡奥托·冯·格里克大学）；Brandenburg University of Applied Sciences（勃兰登堡应用科技大学）
研究了一种类似双壳类动物的游泳者在近无摩擦、具有粘性的颗粒介质中反向拍打翅膀的运动，发现当拍打频率匹配材料的反弛豫时间时产生显著运动，且方向与无粘性颗粒介质中相反。
2025-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Squirming through shear-thinning fluids
许多微生物发现它们自己浸没在显示非牛顿流变学性质（例如粘弹性和剪切稀化粘度）的流体中。粘弹性对低雷诺数下游泳的影响已经受到了相当大的关注，但对剪切稀化流体中的游泳知之甚少。对剪切稀化流变学如何影响游泳这一基本问题的一般理解仍然是难以捉摸的。为了进一步探讨这个问题，我们研究了一个球形蠕动在剪切变稀流体使用相结合的渐近分析和数值模拟。剪切变稀流变学被发现影响蠕动的游泳者在非平凡和令人惊讶的方式，我们预测和显示的情况下，更快和更慢的游泳取决于表面驱动的蠕动。我们还说明，虽然阻力和推力分解可以提供深入了解游泳牛顿流体，这种直觉的问题，在复杂的介质可以证明是有问题的。
2015-11-07 physics.flu-dyn
Viscoelastic propulsion of a rotating dumbbell
粘弹性流体影响游泳微生物的运动，可以用来设计新型的自推进装置。在这里，我们报告的实验证明使用的正常应力差异的推进。刚性哑铃在外部磁场作用下沿其对称轴在Boger流体中旋转。当哑铃是不对称的（雪人几何），非牛顿法向应力差导致净推进的方向较小的球。使用一个简单的模型，可以合理化的实验结果，并预测雪人游泳速度的依赖关系的大小比例之间的两个领域。
2019-12-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Upstream swimming in microbiological flows
微生物与其复杂的流动环境之间的相互作用在许多生物系统中是必不可少的。我们开发了一个模型，在非牛顿Poiffille流中的微游泳者动力学。我们预测，在剪切增稠（变稀）流体中的游泳者向上游迁移更快（少）比在牛顿流体中，并证明粘弹性的正应力差异重新定向游泳者，使他们向上游迁移的中心线，相反，众所周知的静态牛顿流体中的边界积累。基于这些观察，我们提出了一种通过游泳速度选择微生物的分选机制。
2015-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Life in Complex Fluids: Swimming in Polymers
许多微生物在复杂的流体中生存和进化。实例包括宫颈粘液中的哺乳动物精子、蠕虫（例如，\textit{C. elegans}）和细菌（例如，\textit{H. pylori}）在我们的胃粘膜。由于（生物）聚合物和/或固体的存在，这种流体通常显示出对（剪切）应力的非线性响应，包括粘弹性和剪切速率依赖性粘度。这些微生物与其流体环境之间的成功相互作用对于许多生物过程的功能至关重要，包括人类生殖，生态系统动力学以及疾病和感染的传播。这种相互作用通常是非线性的，并可能导致许多意想不到的行为。在这里，我将讨论在表征，建模和理解模型微生物在粘弹性和剪切稀化流体中的游泳行为的发展。将探索三种主要微生物：（i）线虫\textit{C. elegans}，一种波动游泳者;（ii）绿藻\textit{C. reinhardtii}，一种拉动游泳者;（iii）细菌\textit{E. coli}，一种推动游泳者。还将讨论与人工粒子/游泳者的调查;这些研究有助于将生物学与流体动力学效应脱钩。我们将探索这些游泳者的步态，几何形状，驱动和流体流变行为之间的相互作用，主要使用实验，并讨论这些结果相对于数值和分析预测。
2022-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flagellum Pumping Efficacy in Shear-Thinning Viscoelastic Fluids
该研究通过浸没边界模型参数化鞭毛马达、丝状体及流体黏弹性，发现剪切变稀程度对鞭毛泵送效率有双向影响：适度增强而强烈降低。
2024-11-11 physics.flu-dyn
Two-sphere swimmers in viscoelastic fluids
我们研究游泳运动员包括两个刚性球周期性振荡沿其对称轴线，同时考虑当振荡是在相位和反相，并研究流体粘弹性对他们的净运动的影响。这些游泳者都显示在牛顿流体中的往复运动，因此在一个周期内没有实现净游泳。相反，我们发现，当两个球体的大小不同，粘弹性的影响，推动游泳者在较小的球体的方向前进。最后，我们比较了刚性球在粘弹性流体中的运动与弹性球在牛顿流体中的运动，我们发现了相似的结果。
2018-09-12 physics.flu-dyn
Polymer stress growth in viscoelastic fluids in oscillating extensional flows with applications to micro-organism locomotion
对粘弹性流体中大幅度步态波动游泳的模拟表明，游泳者的尖端存在高分子弹性应力集中现象，我们利用一系列相关的理论研究来探讨这些集中应力的来源。首先，在粘弹性流体中，在给定的振荡延伸停滞点处，解析地计算聚合物应力。分析确定了一个黛博拉数（De）依赖韦森伯格数（Wi）的过渡，低于该过渡的应力是线性的Wi，和以上的应力指数增长Wi。接下来，应力和速度，发现从数值模拟中的振荡4辊轧机的几何形状。将这些模拟的应力与解耦（给定流量）情况下的应力理论计算进行比较，观察到类似的应力行为。在粘弹性流体中的时间可逆的弯曲细丝的尖端周围的流动被示出为呈现沿着颗粒轨迹的振荡延伸，并且应力响应呈现类似的过渡。然而，在高振幅、高De区域中，对流动的应力反馈导致经历不对称拉伸和压缩的非时间可逆的粒子轨迹，并且应力在该区域中更显著地增长。这些结果有助于解释过去观察到的大应力集中的大幅度游泳者和非单调依赖于游泳速度的De。
2019-06-19 physics.flu-dyn
Propulsion of a chiral swimmer in viscoelastic fluids
本研究揭示了手性微游泳体在粘弹性流体中速度提升源于魏森贝格效应，并发现其速度取决于推进者或牵引者类型，同时探究了成对游动体的水动力相互作用。
2024-11-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Two-dimensional flagellar synchronization in viscoelastic fluids
实验研究表明，精子在近距离游动时，其鞭毛同步。在牛顿流体中，理论上表明，如果两个游泳者的波形表现出前后几何不对称性，则由于两个游泳者之间的水动力而被动地产生这种同步。大多数生物流体具有聚合物的微观结构的事实，我们在这里解决的粘弹性流体分析同步。使用一个二维的无限片模型，我们表明，聚合物应力的存在下删除的几何不对称约束，因此，即使是对称的游泳者同步。这种同步发生在比牛顿流体更快的时间尺度上，并且可以看到游泳者被驱动成稳定的同相构象，从而最小化周围流体中耗散的能量。
2009-12-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Locomotion of C. elegans in Structured Environments
土壤蠕虫和精子等微生物在结构化环境中的波动运动在自然界中普遍存在。它们在由流体和障碍物组成的复杂环境中航行，协商流体动力学效应和几何约束。在这里，我们展示了{ \textit {C.在微柱阵列中移动。此外，我们还展示了一段在{ \textit {C. elegans}}，其中流体被芯吸到琼脂中。
2010-10-18 physics.flu-dyn
Propulsion driven by self-oscillation via an electrohydrodynamic instability
鞭毛和纤毛的振荡在生物学中起着重要作用，这激发了功能模拟作为生物启发应用的一部分的想法。然而，通过稳定、均匀的刺激来驱动它们的人造对应物振荡仍然具有挑战性。结合理论和模拟，我们展示了一种策略，以实现这一目标，通过使用弹性电流体动力学不稳定性。特别是，我们表明，施加一个均匀的直流电场可以产生自振荡运动的微机器人组成的电介质粒子和弹性细丝。在调节电场和细丝弹性时，微型机器人表现出三种不同的行为：静止状态、波动游泳和稳定旋转，其中游泳行为源于通过Hopf分叉出现的不稳定性。我们的研究结果表明，工程自振荡的可行性，利用弹性-粘性响应来控制分叉的类型和形式的不稳定性。我们预计，我们的策略将是有用的，在广泛的应用范围内模仿自振荡的自然现象和生物过程。
2019-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Viscoelastic Effects on the Hydrodynamics of an Active Compound Particle
本研究通过解析方法分析粘弹性流体中活性复合粒子（squirmer-液滴系统）的水动力学，发现粘弹性效应与限制强度、粘度比共同决定游泳速度，且可增强或阻碍运动。
2025-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Durotaxis in viscoelastic fluids
本研究提出主动粒子在空间不均匀粘弹性流体中的动力学理论，发现流体松弛时间梯度引发新型趋性机制，即流体中的趋硬性。
2024-11-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Effects of Design and Hydrodynamic Parameters on Optimized Swimming for Simulated, Fish-inspired Robots
Department of Mechanical Engineering, Penn State University（宾夕法尼亚州立大学机械工程系）
在这项工作中，我们开发了一个数学模型和仿真平台的鱼启发的机器人模板，即磁性，模块化，波动机器人（$μ$机器人）。通过该平台，我们通过强化学习系统地探索了设计和流体参数对游泳性能的影响。数学模型由两个相互作用的子系统组成，机器人动力学和流体动力学，流体动力学模型由反应性分量（附加质量和压力）和阻力分量（阻力和摩擦力）组成，然后将其无量纲化，用于推导机器人-流体相互作用的关键“控制参数”。$μ$ Bot通过谐波电压信号控制的磁致动器来致动，谐波电压信号通过基于EM的策略超参数探索（EPHE）来优化以最大化游泳速度。通过改变控制参数，共36例不同的机器人模板变化（驱动数（NoA）和刚度）和流体动力学参数进行了仿真和优化，通过EPHE。结果表明，优化步态的波长（即，沿着身体的行波）与模板变化和流体动力学参数无关。更高的NoA产生更高的速度，但单位体长的速度较低，然而，随着增益的减少，单位体长的速度较低。身体和尾鳍步态动力学流体附加质量，弹簧和驱动扭矩之间的相互作用占主导地位，流体阻力阻力的贡献可以忽略不计。相反，推力的产生主要是由尾鳍上的压力作用，稳定的游泳阻力和压力之间的平衡，从附加质量和身体阻力的贡献很小。因此，附加质量力仅通过尾鳍动力学间接影响推力产生和游泳速度。
2021-11-10 cs.RO physics.flu-dyn
Self-organisation of spermatozoa in bulk suspensions via unsteady elastohydrodynamic interactions
我们建立了一个精子在悬浮液中游动的力学模型。我们追踪时空弹性流体动力学相互作用，发现精子从事自组织：鞭毛波动运动产生一个稳定的极性秩序。传统的微游泳者理论使用时间平均应力场来预测细胞结构是不稳定的。然而，我们目前的研究结果揭示了一种新的自组织机制，可归因于不稳定的流体动力学相互作用。从而为活跃的软物质动力学理论做出贡献。
2023-02-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fluid elasticity increases the locomotion of flexible swimmers
我们进行实验，灵活的游泳者，以解决流体粘弹性对他们的运动的影响。游泳者由一个由频率控制的磁场驱动旋转的磁头和一个柔性尾巴组成，尾巴的变形导致向前推进。我们认为这两个粘性牛顿和葡萄糖为基础的Boger流体具有相似的粘度。我们发现，流体的弹性系统地提高运动速度的游泳者，这种增强与德博拉数增加。利用粒子图像测速技术对流场进行可视化，发现头部前后两部分的剪切量存在显著差异。我们推测，粘弹性正应力导致在游泳方向上的净弹性力，从而更快的游泳速度。
2013-03-16 physics.flu-dyn
A systematic investigation into the effect of roughness on self-propelled swimming plates
本研究系统探究表面粗糙度对自推进游泳板的影响，通过不同雷诺数下的对比实验，揭示了粗糙度与运动学的非线性作用机制，发现粗糙度可提升流动拟涡能且不增阻力，相关结论完善了非定常游泳体的粗糙度研究体系。
2023-07-07 physics.flu-dyn
Fake $μ$s: A cautionary tail of shear-thinning locomotion
通过液体推进是许多微生物生命周期的关键组成部分，无论是在发育，感染还是仅仅寻找营养物质。在与生物医学相关的系统中，这种推进力通常是通过聚合物悬浮液来实现的，聚合物悬浮液赋予流体复杂的非牛顿特性，例如剪切稀化和粘弹性行为。由于三维非牛顿模型的复杂性，二维波动推进最近被广泛研究，作为获得这些系统的物理直观的一种手段。然而，虽然流线，游泳速度和游泳者轨迹在2D和3D牛顿计算中惊人地相似，但非牛顿流体中的行为取决于流动导数，例如剪切速率，这是完全不同的。以剪切稀化为例流变学，在生理粘液等生物液体中普遍存在，这种交流表明，如果不考虑这种差异，可能会误导我们对3D非牛顿游泳的理解。
2017-08-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Memory-based mediated interactions between rigid particulate inclusions in viscoelastic environments
许多实际相关的材料将粘性流体和弹性固体的性质结合到粘弹性行为。我们的重点是在这样的物质中的阻尼有限尺寸的颗粒夹杂物的诱导动力学行为。我们明确地描述了嵌入的粒子之间出现的历史依赖的相互作用。这些相互作用由粘弹性环境介导。它们是由刚性夹杂引起的粘弹性介质的流动和变形引起的。这两个，终端流体状流动或完全可逆的阻尼弹性行为的粘弹性环境，都包括在内。为了说明和突出的形式主义在潜在的应用中的作用，我们简要地解决了相关的例子拖动刚性球通过粘弹性环境连同随后的松弛动力学，弹性凝胶矩阵中的磁性填料的开关动力学，和粘弹性解决方案中的活动microswimmer的游泳行为。该方法提供了一个基础，这些和相关系统在未来的定量和扩展的调查。
2018-10-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Flapping motion and force generation in a viscoelastic fluid
在各种生物情况下，游泳细胞必须在复杂的液体中移动。类似地，粘膜纤毛清除涉及通过搏动纤毛运输聚合物流体。在这里，我们考虑在何种程度上可以利用复杂的流体在小尺度上的力生成。我们考虑一个典型的往复运动（即相同的时间反演对称下）：周期性扑翼的拴系半无限平面。在牛顿极限下，根据珀塞尔扇形定理，这种运动不能用于力的产生。在一个聚合物流体（Oldrophil-B，及其推广），我们表明，这是不是这种情况下，并明确计算小振幅正弦运动的挡板上的力。三种设置被认为是：挡板附近的墙壁，挡板在一个楔，和一个二维的扇贝状挡板。在所有情况下，我们表明，在二次阶的振荡幅度，绳系扑动引起净力，但没有平均流量。因此，我们的研究结果表明，扇贝定理是不成立的聚合物流体。因此，生物附属物（如纤毛）的运动的往复分量可以在聚合物流体（如粘液）中产生非平凡的力，并且法向应力差可以用作纯粘弹性力产生和推进方法。
2008-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Harnessing elasticity to generate self-oscillation via an electrohydrodynamic instability
在足够强度的稳定DC电场下，在具有较高电导率的介电溶剂中的弱导电介电球可以通过干草叉分叉经历自发自旋（昆克旋转）。我们设计了一个由介质球和弹性细丝组成的物体。通过数值求解弹性电流体动力学（EEH）问题，我们发现EEH不稳定性表现出不同的动态响应。通过改变灯丝的弯曲刚度，复合物体显示出三种行为：静止状态、波动游泳和稳定旋转，其中游泳是通过霍普夫分叉从自振荡不稳定性产生的。通过结合弹性流体动力学模型进行线性稳定性分析，我们从理论上预测了增长率和临界条件，这与数值计算结果吻合得很好。我们还提出了一个简化的模型系统组成的一个最小的弹性结构再现EEH不稳定性。复合材料结构的弹性-粘性响应能够将音叉分叉转变为Hopf分叉，从而导致自激振荡。我们的研究结果意味着一种新的方式利用弹性介质工程自振荡，更一般地说，操纵和多样化的分叉和相应的不稳定性。这些想法将有助于设计柔软的、环境适应性强的机器。
2020-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Locomotion in complex fluids: Integral theorems
自推进细胞遇到的生物流体显示复杂的微观结构和流变学。我们在这里考虑的一般问题的低雷诺数运动在一个复杂的流体。{建立在粘弹性流体中的粒子的运输的经典工作，}我们演示了如何从数学上推导出三个积分定理有关的任意运动的一个孤立的有机体的游泳运动学{在非牛顿流体}。这些定理对应于三种感兴趣的情况，即（1）线性粘弹性流体中的蠕动运动，（2）弱非牛顿流体中的任意表面变形，和（3）任意非牛顿流体中的小幅度变形。我们的最终结果，有效的广泛的类{游泳者几何，}表面运动学和本构模型，最多需要一系列的牛顿流问题的数学知识，将是有用的量化运动的生物和合成的游泳者在复杂的环境。
2014-10-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Synchronization of flexible sheets
当在很近的地方游动时，一些微生物如精子会使它们的鞭毛同步。以前的工作游泳床单表明，这种同步需要一个几何不对称的鞭毛波形。在这里，我们询问一个物理机制，负责这种破坏性质。使用一个二维模型，我们表明，柔性片材与对称的内部强迫，变形时，通过一个薄的流体层相互作用，以这样一种方式，系统地打破整体波形对称性，从而始终演变成一个同相构象的能量耗散最小化。这种动力学被证明是数学上等价于在粘弹性流体中获得的规定波形，强调弹性的至关重要的作用，破胶和同步。
2011-08-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Benchmarking the Immersed Boundary Method for Viscoelastic Flows
本文通过二维算例和流变实验，对浸入边界法在Oldroyd-B和Rolie-Poly粘弹性流动中的精度与收敛性进行基准测试，并与有限元、有限体积法比较，给出正则化delta函数和拉格朗日网格间距的推荐选择。
2024-01-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
