Synchronised Swimming of Two Fish
研究了两个仿鱼体同步游动时的流体动力学。我们的研究是基于粘性不可压缩流的二维模拟。我们区分运动模式是外部强加给游泳者和自我推进的游泳者，学习机动，以实现某些目标。两个刚体执行预先指定的运动的模拟表明，流介导的相互作用可以导致显着的阻力减少，甚至可能间歇地产生推力。反过来，我们研究两个自推进的游泳者安排在一个领导者，追随者的配置，与先验指定的身体变形。我们发现，游泳的领导者在很大程度上保持不受影响，而追随者的经验，要么增加或减少游泳速度，这取决于初始条件。最后，我们考虑一个跟随者，同步其运动，以尽量减少其横向偏离领导者的路径。领导者采用稳定的步态，而跟随者使用强化学习算法，以适应其游泳运动学。我们发现，游泳在同步串联可以产生高达约30%的能量消耗减少的追随者，除了在其游泳效率增加20%。目前的研究结果表明，同步游泳的两条鱼可以积极有益的。
2016-10-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A numerical simulation method of fish adaption behavior based on deep reinforcement learning and fluid-structure coupling-realization of some lateral line functions
完善复杂环境下鱼类自主游动行为的数值模拟方法，对于仿生控制器的优化、过鱼设施的设计以及鱼类行为的研究都具有重要意义，本文构建了一个鱼类自主游动仿真平台，采用高精度IB-LBM实时模拟鱼类与流场相互作用的动态过程，并通过SAC深度强化学习算法实现鱼脑运动控制，更重要的是，针对现有仿真平台泛化能力差的问题，提出了一种模拟鱼的侧线功能的方法，通过加入侧线机，设计宏动作系统，使智能鱼具有识别、分类、在非定常流场中记忆并移植相应的游泳策略，利用该方法进行了不同入口流速下的点对点捕食性游泳训练和模拟以及Kamangait试验，在点对点捕食性游泳的例子中，处于任意位置的鱼能够自主调整游泳姿势和速度来捕捉快速移动的食物，并且对食物的运动轨迹有一定的预测能力.在Kaman-gait测试中，将训练好的鱼放在三种不同的Kamangait流场中，研究其对流场的识别能力和通过经验选择游泳策略的能力.数值实验结果表明，与其他值函数网络相比，基于最大熵的SAC算法在模拟鱼脑决策时，在收敛速度和训练效率上更有优势。动作系统可以避免经验的浪费，提高智能鱼在新的复杂流场环境中的适应能力。
2023-01-24 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
Optimal undulating swimming for a single fish-like body and for a pair of interacting swimmers
我们建立通过数值模拟条件为一个单一的鱼，和一对水动力相互作用的鱼，占线性和角反冲的最佳波动推进。我们首先采用系统的2D模拟，以确定条件的最小推进功率的自推进鱼，并继续有针对性的3D模拟的一个像达尼欧鱼。我们发现Strouhal数、尾缘垂荡与俯仰的相位角和迎角是主要参数。角反冲对效率有显著影响，而优化的机身弯曲要求后缘上游的最大弯曲幅度。对于2D模拟，施加变形的基础上测量的位移carangiform游泳提供了40%的效率，这增加了优化的配置文件，以57%;对于3D鱼，相应的增加是从22%到35%;所有在雷诺数5000。接下来，我们转向两个水动力相互作用的鱼的2D模拟。我们发现，上游的鱼的利益大力只有很小的距离。相反，下游的鱼可以受益于任何位置，允许与上游尾流的相互作用，提供其身体运动是适当的时间相对于迎面而来的涡流。对于直列配置，相距一个体长，下游鱼类的最佳效率可以增加到66%;对于偏置布置，它可以达到81%。这证明，在鱼群中，下游鱼可以通过与迎面而来的涡流的相互作用来实现能量节省，即使下游鱼直接位于上游鱼的射流状流内。
2016-04-04 physics.flu-dyn
The effects of fluid viscosity on the kinematics and material properties of C. elegans swimming at low Reynolds number
在实验和一个简单的模型中研究了流体粘度对低雷诺数下小型游泳者运动学的影响。游泳者是秀丽隐杆线虫（Caushabditis elegans），它是一种长约1毫米的波浪形蛔虫。实验表明，当流体粘度在1.0 ~ 12 mPa·s范围内变化时，线虫保持着高度周期性的游动行为。令人惊讶的是，线虫的游泳速度（约0.35毫米/秒）几乎是不敏感的流体粘度的范围内调查。然而，随着流体粘度的增加，线虫的跳动频率降低到一个渐近值（~1.7 Hz）。一个简单的模型是用来估计线虫的杨氏模量和组织粘度。这两种材料的性能都随着流体粘度的增加而增加。有人提出，杨氏模量的增加可能与肌肉收缩响应较大的机械负荷，而有效组织粘度的增加可能与克服增加的流体阻力所需的能量。
2009-12-17 physics.bio-ph 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
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
Learning swimming escape patterns for larval fish under energy constraints
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Harvard University（哈佛大学）
游泳生物可以通过身体运动产生和利用不稳定的流场来逃避捕食者。随机优化和流动模拟已经确定的逃生模式，与自然幼虫游泳者中观察到的一致。然而，这些模式受到特定成本函数的规范的限制，并且依赖于身体运动的规定函数形式。在这里，我们部署强化学习，以发现游泳逃生模式的能量约束下的仔鱼。所确定的模式包括C-启动机制，除了更积极有效的逃生。我们发现，用有限的能量最大化距离需要通过与滑翔相关联的加速运动的短脉冲游泳。本发明的数据高效的强化学习算法产生了一系列模式，这些模式揭示了用于高效游泳的实际流优化原理，并且该方法可以转移到在能量约束下操作的水生机器人设备的控制。
2021-06-28 cs.AI cs.LG cs.RO
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
Effect of fluid inertia on swimming of a sphere in a viscous incompressible fluid
本文从描述球面波型畸变的纳维-斯托克斯方程出发，研究了球在粘性不可压缩流体中的游动。在无量纲尺度数的相当大的值的平均游泳速度是一个微妙的平衡之间的净时间平均流量直接产生的表面扭曲和平均雷诺力密度产生的流量的结果。根据冲程，这可能导致平均游泳速度对流体的运动粘度的惊人依赖性。净流模式计算作为一个函数的运动粘度的轴对称中风的游泳球。计算涵盖了尺度数的全部范围，从摩擦主导的斯托克斯政权在消失的尺度数的限制，在大尺度数的惯性主导政权。因此，该模型提供了范例洞察到流体动力学的游泳或飞行的广泛的生物体。
2018-04-23 physics.flu-dyn
Efficient cruising for swimming and flying animals is dictated by fluid drag
许多游泳和飞行的动物被观察到在狭窄的斯特劳哈尔数范围内巡航，其中斯特劳哈尔数${St = 2fA/U}$是与划水频率$f$、幅度$A$和前进速度$U$相关的无量纲参数。海豚、鲨鱼、硬骨鱼、鸟类、蝙蝠和昆虫通常在$0.2 < St < 0.4$范围内巡航，该范围与起伏和俯仰翼型实验发现的最大效率的Strouhal数范围一致。因此，人们假设自然选择已经调整了动物使用这个范围的斯特罗哈数，因为它赋予了高效率，但为什么这样仍然不清楚。在这里，通过使用简单的缩放参数，我们认为峰值效率的斯特罗哈尔数在很大程度上取决于鳍和机翼上的流体阻力。
2019-04-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Dynamics of confined suspensions of swimming particles
低雷诺数直接模拟大人口的流体动力相互作用的游泳粒子之间的平面壁进行。模拟的结果进行了比较，与一个理论，描述稀释悬浮液的游泳者。该理论产生缩放与浓度的扩散系数和速度波动，以及流体速度的空间自相关函数的预测。即使对于不相关的游泳者，该理论也预测了附近流体元素之间的相互关系，这些流体元素对应于流体中的漩涡状旋转运动，其长度尺度由游泳者的大小和狭缝高度设定。非常相似的结果出现从充分的模拟表明，无论是相关的运动的游泳者是不显着的浓度考虑或流体相的自相关性不是一个敏感的措施的相关运动。这一结果与无约束系统的结果形成鲜明对比，对于无约束系统，流体自相关捕获大规模集体流体结构。由限制引入的附加长度尺度（屏蔽长度）似乎阻止了这些大尺度结构的形成。
2008-11-12 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming of a deformable slab in a viscous incompressible fluid with inertia
从纳维-斯托克斯方程出发，研究了可变形平板在粘性不可压缩流体中的游动问题。连续的平面波位移，对称的两侧的板和其特征在于偏振角，允许相对于偏振的游泳效率的优化。平均游泳速度和平均耗散率的计算，以二阶的中风的振幅。最佳效率取决于流体的粘度和质量密度的比率。对于高粘度的中风被发现具有显着更高的效率比泰勒的解决方案的游泳床单。对于低粘度，效率对于几乎无旋的流动模式是最佳的。
2016-11-07 physics.flu-dyn
Efficient collective swimming by harnessing vortices through deep reinforcement learning
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
鱼群在其同伴的涡流尾流中通过充满机械能的复杂流场。他们的上学行为与进化优势有关，包括集体节能。鱼类如何从其复杂的流体环境中获取能量，以及在集体游泳过程中控制能量提取的潜在物理机制仍然是未知的。在这里，我们表明，鱼可以提高他们的持续推进效率，积极遵循，明智地拦截，涡流后，其他游泳者。这种游泳策略导致集体节能，并通过深度强化学习与高保真流动模拟的首次结合来揭示。我们发现，一个“聪明的游泳者”可以调整其位置和身体变形，以同步与迎面而来的涡流的动量，提高其平均游泳效率，而无需花费的领导者。结果表明，鱼类可能会收获的能量存储在涡流产生的同行，并支持的猜想，形成游泳是积极的优势。此外，这项研究表明，深度强化学习可以为复杂的流场产生导航算法，对自主机器人群的节能具有重要意义。
2018-02-07 cs.AI physics.comp-ph physics.flu-dyn
Undulatory swimming in shear-thinning fluids: Experiments with C. elegans
微生物的游动行为可受到其流体环境的流变学的强烈影响。在这篇手稿中，我们实验研究剪切稀化粘度的波动游泳者，线虫秀丽隐杆线虫的游泳行为的影响。跟踪方法用于测量游泳运动员的运动学数据（包括推进速度）和速度场。我们发现，剪切稀化粘度修改游泳线虫产生的速度场，但不修改线虫的速度和跳动的运动学。测速数据显示显着增强当地的涡度和流通和流体速度增加线虫的尾巴附近的牛顿流体相比，类似的有效粘度。这些研究结果进行了比较，最近的理论和数值结果。
2014-09-13 physics.flu-dyn
Active tail flexion in concert with passive hydrodynamic forces improves swimming speed and efficiency
鱼通常通过周期性地弯曲身体来游泳。弯曲似乎遵循一个普遍的规则;它发生在大约三分之一的鱼体后端的最大弯曲角度约为$30^o$。然而，形成这种收敛设计的水动力机制及其在游泳速度和效率方面对鱼类的潜在益处还没有得到很好的理解。也不清楚这种弯曲在多大程度上是主动的或被动地跟随柔性后部与流体环境的相互作用。在这里，我们使用一个自推进的两个链接模型，与涡面方法的上下文中描述的流体-结构相互作用，分析主动和被动的身体弯曲对游泳性能的影响。我们发现，被动弯曲是更有效的，但可能会降低游泳速度相比，刚性扑动，但主动弯曲的增加可以提高速度和效率。重要的是，我们发现，身体的后部和前部之间的相位差是影响性能的重要运动学因素，并且与被动屈曲相一致的主动反相屈曲可以同时提高与生物学观察重叠的设计空间区域中的速度和效率。我们的研究结果是一致的假设，积极弯曲自己的身体在一种方式，利用被动流体动力学的鱼可以在一次提高速度和效率。
2021-04-24 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
Swimming of a sphere in a viscous incompressible fluid with inertia
基于纳维-斯托克斯方程，研究了小振幅表面调制下，球体在粘性不可压缩惯性流体中的游动问题。平均游动速度和平均耗散率用表面位移的二次型表示。随着模式的基组的选择，二次型对应于两个厄米矩阵。对于给定的耗散率，平均游泳速度的优化需要解决一个涉及两个矩阵的广义特征值问题。它被发现的表面调制的低多极秩序，最佳的游泳效率取决于在复杂的方式上的无量纲尺度数涉及的半径的球体，周期的周期，和流体的运动粘度。
2016-12-19 physics.flu-dyn
Swimming efficiency in a shear-thinning fluid
微生物在复杂的介质中移动需要消耗能量。虽然推进速度是运动的一个重要特性，但效率是另一个因素，它可以决定微生物为了以能量有利的方式游动而采用的游泳步态。在牛顿流体中游泳的效率很好地表征了不同的生物和人工游泳者。然而，这些游泳者经常遇到显示剪切稀化粘度的生物流体。关于这种非线性流变学如何影响运动效率，人们知之甚少。剪切稀化流变学使游泳更有效率还是更少？游泳效率如何取决于游泳者的推进机制和周围剪切变稀流体的流变特性？在这项工作中，我们解决这些基本问题的运动效率在剪切稀化流体考虑蠕动模型作为一个通用的运动模型，以代表不同类型的游泳者。我们的分析揭示了如何选择表面速度分布的蠕动可能会降低或提高游泳效率。我们确定了最佳的剪切速率，在此条件下，游泳效率可以大大提高与牛顿的情况。游泳效率的非平凡变化提示微生物如何调整其游泳步态以利用剪切稀化流变学的问题。这些发现还为人工游泳者如何设计以有效地通过复杂介质提供了见解。
2017-12-04 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
Fluid Velocity Fluctuations in a Suspension of Swimming Protists
在游泳微生物的稀释悬浮液中，局部流体速度是由个体生物体建立的流场的随机叠加，其又具有多极贡献，其衰减为与生物体的距离的倒数。在这里，我们表明，中心极限定理的条件下，保证高斯概率分布函数的速度满足时，领先的力奇异性是一个Stokeslet，但不是当它是任何更高的多极。这些结果证实了数值研究和实验悬浮液中的spiritual团藻carteri，这表明，从高斯性的偏差产生近场效应。
2010-11-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming in Complex Fluids
我们回顾了有关在复杂流体中游泳的文献。分类提出了通过比较的长度和时间尺度的游泳者与附近的障碍，广义上解释，从刚性或软限制边界的分子，赋予复杂的应力的散装流体延伸。分类的第三个维度是游泳者的集中度，它包含了纯粹由游泳生物的集体运动产生的复杂性的流体。对于我们确定的八个系统类，我们提供了一个背景，并描述现代研究成果。虽然有些类几十年来一直受到极大的关注，但其他类仍然是未知的水域，仍然开放，等待探索。
2022-10-04 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Swimming of a uniform deformable sphere in a viscous incompressible fluid with inertia
本文用二阶摄动理论研究了均匀变形球体的游动。根据线性响应理论，利用牛顿运动方程，计算了一阶反作用力对一阶质心速度的影响。的响应的特征在于由一个偶极导纳，这是示出成比例的平移导纳。因此，平均游泳速度，计算在二阶微扰理论，取决于增加的质量的球。平均游泳速度和平均耗散率计算几个选定的中风。
2020-07-08 physics.flu-dyn
Swimming at small Reynolds number of a collinear assembly of spheres in an incompressible viscous fluid
本文从单球运动方程出发，研究了浸没在粘性流体中的等长球线性组合体在小雷诺数下的游动问题。球体的运动是由驱动力和来自直接相互作用势的力以及由流体作为摩擦和附加质量流体动力相互作用施加的流体动力引起的。由球体组合的动量平衡方程推导出游泳速度，由瞬时功率方程计算出一段时间内所需的平均功率。表达式推导出的平均游泳速度和平均功率，有效的二阶的相对平衡位置的位移的振幅。因此，这些量可以用规定的周期位移来计算。显式计算进行了线性链的三个相同的领域。
2016-10-19 physics.flu-dyn
Phase-separation models for swimming enhancement in complex fluids
游泳细胞通常不得不自推进通过显示非牛顿流变学的流体。虽然过去的理论工作似乎表明，复杂流体产生的应力应该系统地阻碍低雷诺数运动，实验观察表明，运动增强是可能的。在本文中，我们提出了一个物理机制的运动增强的微观游泳者在复杂的流体。它是基于这样的事实，即微结构的流体通常会在表面附近发生相分离，导致存在低粘度层，从而促进滑动并降低游泳者表面附近的粘性摩擦。我们使用两个模型来解决这种相分离的后果：一个非零的表观滑移长度的流体，然后在一个薄层附近的游泳者的粘度变化的显式建模。考虑到两个典型的低雷诺数运动，即一个二维片和一个三维细丝的波动运动的设置，我们表明，相分离系统地增加运动速度，可能由数量级。最后，我们用最近的实验结果来验证我们的预测。
2015-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Fluid circulation driven by collectively organized metachronal waves in swimming T. aceiti nematodes
最近的实验表明，线虫{ \it T.可以在液滴的边缘处聚集成共同起伏的组。这种协调状态由异时波组成，并驱动液滴内的流体循环。我们发现环流速度约为2 mm/s，几乎是异时波速度的一半。我们发展了一个准二维的流体力学模型使用斯托克斯流近似。线虫的周期性运动构成了驱动流动的移动边界条件。我们的模型表明，线虫尾巴的大幅度漂移产生的流体循环。我们讨论了容器上的约束，将提高流体运动，这可以用于在未来的设计按需流量生成系统。
2023-02-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Low-Reynolds number swimming in gels
许多微生物游动通过凝胶，具有非零零频率弹性剪切模量的材料，如粘液。生物凝胶通常是异质的，包含结构支架（网络）和流体溶剂。我们分析了在凝胶的“双流体”模型中经历横向行波变形的无限大薄片的游动，该模型将网络和溶剂作为两个耦合的弹性和粘性连续相。我们表明，几何非线性必须纳入物理上有意义的结果。我们确定了一个过渡制度的网络变形，以遵循溶剂流动和网络是固定的。当网络静止时，相对于牛顿流体，游泳速度可以提高。压缩效应也可以提高游泳速度。最后，微观细节的片材网络相互作用的影响之间的边界条件的片材和网络。这些边界条件的性质显著影响游泳速度。
2010-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Learning to swim in potential flow
University of Southern California（南加州大学）；DeepMind（深度思维）
鱼靠摆动身体来游泳。这些推进运动需要与其流体环境相互作用的身体的协调形状变化，但导致强大的转弯和游泳运动的特定形状协调仍然不清楚。为了解决水下运动规划的问题，我们提出了一个简单的模型，一个三连杆鱼游泳的势流环境中，我们使用无模型的强化学习形状控制。我们到达两个游泳任务的最佳形状变化：在所需的方向游泳和游泳对一个已知的目标。这个鱼模型属于一类几何力学问题，称为无漂移动力系统，这使我们能够分析游泳行为的几何相位在形状空间的鱼。这些几何方法在存在漂移的情况下不太直观。在这里，我们使用形状空间分析作为评估，可视化和解释通过强化学习在没有漂移的情况下获得的控制策略的工具。然后，我们研究这些政策的鲁棒性漂移相关的扰动。虽然鱼不能直接控制漂流本身，但它学会了利用适度漂流的优势到达目标。
2020-12-07 cs.LG physics.flu-dyn q-bio.NC
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
Swimming at Low Reynolds Number in Fluids with Odd (Hall) Viscosity
我们应用几何理论的游泳在低雷诺数的研究近圆形游泳者在二维流体与非零霍尔，或“奇”，粘度。霍尔粘度对流体应力张量有非对角贡献，这导致了许多惊人的效果。特别是，我们发现，游泳者的面积是变化的，将经历一个扭矩成比例的面积的变化率，与奇数粘度的系数$η^o$给出的比例常数。在对一类简单的游泳者在具有霍尔粘度的流体中游泳的一般理论进行研究之后，我们给出了一些游泳的例子，这些例子清楚地表明了在具有常规粘度的流体中游泳和在也具有霍尔粘度的流体中游泳之间的差异。更多的技术成果，包括更一般的形状的游泳运动员的扭矩面积关系的证明，在一组附录中解释。
2013-10-23 cond-mat.soft 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
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
On the fish-like swimming of linked bodies with and without skin
本文研究了三连杆刚体在流体中的二维运动。这些身体以模仿鱼游泳的方式改变彼此相对的方向。与以前的模拟不同，这些身体由弹性皮肤连接。皮肤对身体的运动和流体的压力做出反应，并改变身体周围的流动。特别是，它防止流体在它们之间移动。身体和皮肤的系统在外观上类似于游泳的水蛭或蝌蚪，这取决于身体的相对大小。我们模拟系统使用SPH，与三种类型的粒子：液体粒子，边界力粒子确定的刚体表面，和皮肤粒子定义的弹性皮肤。后者通过线性弹簧力相互作用，并与它们所锚定的边界力粒子相互作用。边界力粒子和皮肤粒子通过与浸没边界方法中使用的力类似的成对力与流体粒子相互作用。该算法基于拉格朗日量，运动方程精确地保持线动量和角动量。我们比较了刚体的运动与皮肤和皮肤保持身体加上皮肤的总质量固定。当椭圆是相同的，并且使用向前步态时，当它们通过皮肤连接时，身体游得快约13%，并且它们需要更少的能量。当椭圆具有不同的尺寸时，其中前椭圆最大，它们的速度快约39%，并且使用更少的能量。该算法简单，鲁棒性强，可应用于任意形状的物体以及包括自由表面和分层流体的区域。
2009-12-23 physics.flu-dyn
Swimming at small Reynolds number of a planar assembly of spheres in an incompressible viscous fluid with inertia
本文从单个球体的运动方程出发，研究了浸没在不可压缩粘性流体中的相同球体平面组合体在小雷诺数下的平移和旋转游动。球体的运动是由驱动力和来自直接相互作用势的力以及由流体作为摩擦和附加质量流体动力相互作用施加的流体动力引起的。从动量和角动量平衡方程推导出组件的平移和旋转游动速度。在一段时间内所需的平均功率是从瞬时功率方程计算的。表达式推导出的平均游泳速度和功率，有效的二阶的相对平衡位置的位移的振幅。因此，这些量可以计算为规定的周期位移。显式计算进行三个球体相互作用，使他们形成一个等边三角形的休息配置。
2016-11-02 physics.flu-dyn
A 3-dimensional model of flagellar swimming in a Brinkman fluid
我们研究了三维鞭毛游泳在流体中的稀疏网络的固定障碍物或纤维。Brinkman方程用于模拟平均流体流量，其中流量相关项（包括与渗透率成反比的阻力参数）模拟纤维对流体的阻力效应。为了解决当地的线性和角速度，耦合到鞭毛运动，我们扩展的正则化Brinkmanlets的方法，将基尔霍夫杆，离散为点力和扭矩沿中心线。代表鞭毛作为基尔霍夫杆，我们调查紧急波形不同的首选应变和扭曲功能。由于基尔霍夫棒制定允许出平面运动，除了研究一个优选的平面正弦波配置，我们还研究了一个优选的螺旋配置的情况下。我们的数值方法进行了验证，通过比较结果的渐近游泳速度推导出一个无限长的圆柱体传播平面或螺旋波。类似于平面和螺旋弯曲的渐近分析，我们观察到，小振幅弯曲，游泳速度总是增强相对于没有纤维的情况下，在流体（斯托克斯）的阻力参数增加。
2018-04-17 physics.flu-dyn
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。
2017-05-30 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming Speeds of Waving Cylindrical Tails in Viscous Fluids with Resistance
许多微生物在高度异质的环境中游动，障碍物如纤维或聚合物。为了更好地了解这种环境如何影响微生物的游泳，我们研究了一个圆柱体或细丝在流体中的推进与一个稀疏的，固定的网络的障碍物建模的Brinkman方程。通过研究无限长圆柱体传播的横向或螺旋位移波，研究了游泳速度的数学分析。对于固定的弯曲运动学，我们发现，游泳的速度提高，由于从纤维增加的阻力。此外，我们检查的工作和扭矩施加在气缸上的阻力。当阻力降为零时，无限长圆柱体在斯托克斯流体中的力矩、游动速度和功的解被恢复。最后，我们比较了渐近解与正则化Brinkmanlets方法的数值结果。有限长细丝的游动速度随着其长度的减小而减小，并且平面弯曲引起角速度，该角速度随着增加的阻力而线性增加。渐近分析和计算之间的比较给出了洞察力的长丝的长度，渗透性，和圆柱的厚度在平面和螺旋游泳者的整体性能方面的效果
2015-12-24 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
The role of SE(d)-reduction for swimming in Stokes and Navier-Stokes fluids
稳定的游泳似乎是周期性的和稳定的。这些特征正是极限环的定义，所以我们问“我们能把游泳看作是一个极限环吗？“在本文中，我们无法全面回答这个问题。然而，我们将发现，通过SE（d）对称性的约化使我们更接近。在进行对称化约后，我们将找到一个稳定的不动点，它对应于死水中的静止物体。然后，我们将推测存在的周期轨道，这是“近似”的极限环在约化系统。当我们提升这些周期轨道从减少的相空间，我们得到动态鲁棒的相对周期轨道，其中每个周期与前一个由SE（d）相位。显然，由非零平移和恒等旋转组成的SE（d）相位意味着定向游泳，而非平凡旋转对应于具有恒定转弯半径的转弯。
2013-10-26 math.DS 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
Mixing in chaotic flows with swimming bacteria
这是一个手稿接受出版物理评论流体，画廊流体运动特刊。该手稿与第39届年度流体运动画廊奖的海报获奖者有关，该奖项是在美国物理学会流体动力学分部第74届年会（美国亚利桑那州凤凰城，2021年）上颁发的。
2022-08-25 physics.flu-dyn
Water surface swimming dynamics in lightweight centipedes
研究发现轻质蜈蚣L. forficatus在水面靠尾到头的身体波而非14对足推进，流体波阻力主导其运动，微生物波阻力理论可解释其游动表现并为运动控制提供假说。
2024-09-13 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collinear Swimming of a Squirmer Pair in Newtonian and Shear-Thinning Fluids
Santa Clara University（圣克拉拉大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Towson University（陶森大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）；Texas A&M University–Corpus Christi（德克萨斯农工大学科珀斯克里斯蒂分校）
研究双 squirmer 在牛顿和剪切变稀流体中平行游动的相互作用，通过解析解和数值模拟验证，揭示相同速度配置及推进性能，分析剪切变稀对推进特性的影响。
2026-04-04 physics.flu-dyn
Effect of inertia on laminar swimming and flying of an assembly of rigid spheres in an incompressible viscous fluid
本文根据假定的运动方程，研究了无重力条件下不可压缩粘性流体中游动和飞行的力学模型。该系统被建模为一个组件的刚性球体弹性直接相互作用和周期性的驱动力总和为零。在虚拟质量矩阵和组件的摩擦矩阵中考虑了流体动力学相互作用。推导出了装配体几何中心速度的运动方程。平均功率计算为平均耗散率。粘度的全部范围被覆盖，因此该理论可以应用于鸟类的飞行，以及鱼类或细菌的游泳。作为一个例子，三个相等的球体沿一个共同的轴运动的系统进行了研究。
2015-11-26 physics.flu-dyn
Transport barriers to self-propelled particles in fluid flows
我们目前的理论和实验证明存在不变的流形，阻碍运动的microswimmer在二维流体流动。单向屏障在双曲线流体流动中是明显的，其阻止了平滑游泳和奔跑翻滚\emph{Bacillus subtilis}细菌的游泳。我们确定关键的相空间结构，称为游泳不变流形（SwIMs），作为长期游泳行为的不同区域之间的分隔线。当投影到$xy$ -空间中时，SwIM的边缘充当单向屏障，与实验一致。
2020-10-27 nlin.CD physics.bio-ph physics.flu-dyn
Accelerating Aquatic Soft Robots with Elastic Instability Effects
Columbia University（哥伦比亚大学）
本研究提出基于HCM双稳态机构的HCM波动游动模式，利用弹性不稳定性快速释能，在相同能耗下使鱼类机器人巡航速度翻倍，推力达传统模式的2-3倍，为高速水生软体机器人研发提供新思路。
2024-07-15 cs.RO physics.flu-dyn
Effect of fluid inertia on the motion of a collinear swimmer
本文在考虑Stokes摩擦和附加质量效应的简化运动方程的基础上，研究了两球系统和三球链在不可压缩粘性流体中的游动。分析是基于一个明确的表达式的渐近周期游泳速度和相应的平均耗散率的评价。当两个球不相等时，两球系统的平均游动速度是非零的。由三个相同球体组成的类似链条的游动效率要高得多。
2016-07-10 physics.flu-dyn
Enhanced bacterial swimming speeds in macromolecular polymer solutions
简单牛顿流体中游动细菌的运动可以在低雷诺数流体动力学的框架内成功地描述。生物流体中聚合物的存在通常会增加粘度，这预计会导致恒定细菌马达扭矩的较慢游动。然而，令人惊讶的是，一些实验表明，细菌的速度在聚合物流体中增加，并且没有明确的理解为什么。因此，我们进行了广泛的粗粒度模拟的细菌游泳明确建模的解决方案，不同的长度和密度的大分子聚合物。我们观察到游泳速度随着聚合物密度增加高达60%，并证明这是由于细菌附近的聚合物耗尽导致有效滑动。然而，这本身并不能预测游泳速度的大幅增加：与细菌鞭毛的手性偶联也是必要的。
2017-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Minimal model for transient swimming in a liquid crystal
当微生物在牛顿流体（例如水）中从静止开始游泳时，它迅速达到其稳态游泳速度，因为当雷诺数小时，速度场的变化迅速传播。然而，游泳微生物通常在复杂流体中发现或研究。因为这些流体具有长的弛豫时间，所以达到稳定状态游泳速度的时间也可以很长。在这篇文章中，我们研究了最简单的液晶流体：二维六角液晶薄膜中的游动启动问题。我们研究了启动时间对锚固强度和埃里克森数的依赖性，埃里克森数是粘性应力与弹性应力的比值。对于强锚定，流体流动立即开始，但液晶场和游动速度在与液晶的弛豫时间成比例的时间之后达到其正弦稳态值。当埃里克森数高时，对于任何锚固强度，行为与强锚固情况相同。我们还发现，启动时间增加的旋转粘度的剪切粘度的比率，然后最终饱和，一旦旋转粘度是远远大于剪切粘度。
2015-06-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dispersion of biased swimming microorganisms in a fluid flowing through a tube
本文将经典的Taylor-Aris弥散理论推广到描述自推进偶极细胞悬浮液在管状流中的输运。的平均漂移和有效扩散率的一般表达式确定的轴向力矩，并与近似一拉泰勒。在泰勒-阿里斯的情况下，偏置游泳细胞的有限分布的偏度消失在很长一段时间。一般表达式可以应用于特定的游泳微生物模型，从而被用来预测游泳漂移和扩散的管状生物反应器，并阐明竞争无界游泳漂移和扩散的描述。在这里，具体的例子是gyrotactic游泳藻类。
2010-02-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn q-bio.CB
Helical propulsion in shear-thinning fluids
游动的微生物通常必须在复杂的非牛顿流体中推进。我们进行了实验与自我推进的螺旋游泳驱动的外部旋转磁场在剪切变稀，非弹性流体。类似于在牛顿流体中游泳，我们获得每种流体的运动速度，其与游泳者的旋转频率成线性比例，但具有取决于流体的功率指数的前因子。流体被认为总是增加螺旋的游泳速度，最多快50%，因此是迄今为止报道的最强的此类类型。流体动力指数约为0.6时的最大相对增加。使用简单的缩放，我们认为，速度的增加是不是由于螺旋丝周围的流动粘度的局部降低，而是假设，它起源于限制，由于周围的游泳者的粘度分层的效果。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Nematode Locomotion in Unconfined and Confined Fluids
毫米长的土栖线虫{ \it C. elegans}通过产生沿着其身体传播的波动来推进自身，并通过呈现高度弯曲的形状来转弯。根据我们最近的研究[PLoS ONE \textbf{7}，e40121（2012）]，所有这些姿势都可以通过分段调和曲率（PHC）模型准确描述。我们将这种基于曲率的描述与高度精确的流体动力学珠模型相结合，以评估蠕虫在无约束流体和平行壁细胞中游泳的归一化速度和转向角。我们发现，蠕虫的移动速度的两倍，更有效地导航下一个强大的约束，由于大的横向到纵向的阻力系数比从壁介导的远场流体动力学耦合体段之间。我们还注意到，最佳的游泳步态是相似的步态观察线虫在高粘度流体中游泳。我们的珠子模型使我们能够确定限制和有限厚度的身体上的线虫的运动的影响。经典的连续力理论和细长体理论没有考虑这些效应。
2013-06-19 physics.bio-ph physics.flu-dyn
