The Performance of Discrete Models of Low Reynolds Number Swimmers
在低雷诺数下通过形状变化进行游泳在生物学中被广泛使用，并且理解运动效率如何取决于形状变化的几何图案对于理解微生物的游泳和设计低雷诺数游泳模型是重要的。最简单的形状变化模型是那些包括一系列链接的球体，可以改变它们的分离和/或它们的大小。在这里，我们比较了三种模式，其中这些模式以不同的方式使用的效率。
2015-07-20 physics.flu-dyn q-bio.CB q-bio.QM
Optimal Swimming at low Reynolds numbers
在低雷诺数下的有效游泳是微型机器人的主要关注点。为了比较不同游泳者的效率，我们引入了“游泳阻力系数”的概念，它允许对游泳者进行排名。我们找到了最佳的游泳者在某一类的二维游泳者使用保角映射技术。
2004-08-24 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Swimming, Pumping and Gliding at low Reynolds numbers
简单的线性方程将微观游泳者与相应的滑翔机和泵联系起来。它们有以下一组结果：自由泳者的游泳速度可以从系留游泳者身上的力推断出来，反之亦然;系留游泳者比自由泳者消耗更多的能量;可以以任意高的效率游泳，但不可能以任意高的效率抽水，最后抽水是几何的。我们还解决了与游泳和抽水相关的几个优化问题：最佳锚定的问题，为一定类别的游泳者，其中包括Purcell游泳者和三个链接的领域和最佳几何形状的螺旋被认为是游泳者和泵。
2007-08-29 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Transition in swimming direction in a model self-propelled inertial swimmer
我们提出了一个互惠的，自推进模型游泳者在中间雷诺数（$Re$）。我们的游泳者由两个不相等的球体组成，它们反相振荡，产生非线性定常流（SS）。我们的计算表明，SS流使游泳者推进自己，并切换方向作为$Re$增加。我们量化的过渡在游泳方向上的崩溃我们的数据上的一个关键的$Re$，并表明，在游泳方向上的过渡对应的SS流的逆转。基于我们的研究结果，我们提出SS可能是运动在中间$Re$的一个重要的物理机制。
2018-11-07 cond-mat.soft physics.comp-ph 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
Front-back asymmetry controls the impact of viscoelasticity on helical swimming
我们进行实验与力免费磁驱动刚性螺旋游泳者在牛顿和粘弹性（博格）流体。通过改变游泳者身体及其螺旋形尾巴的大小，我们表明粘弹性的影响强烈地依赖于游泳者的几何形状：它可以导致游泳速度的显着增加（高达五倍），类似的减少（也高达五倍），或者它可以几乎没有影响。我们的数据分析与理论建模表明，螺旋推进的粘弹性的影响是由雪人般的效果，以前报道的哑铃游泳运动员，其中的前后不对称的游泳运动员导致一个非牛顿的弹性力，可以有利于或阻碍运动控制。
2020-12-02 physics.flu-dyn
Gyrotactic swimmers in turbulence: shape effects and role of the large-scale flow
我们研究的动力学和统计的稀释悬浮液的回旋泳，许多水生运动微生物的模型。通过对不同雷诺数下的纳维-斯托克斯方程进行大量的数值模拟，我们研究了优先采样和小尺度聚集随游动参数（稳定性和速度）和形状参数的变化，特别考虑了球形和棒状颗粒的限制。虽然球形游泳者优先采样当地的下降流，对于细长的游泳者，我们观察到从下降流到上升流区域在足够高的游泳速度的过渡。球形和细长的游泳者的空间分布被发现是分形在小尺度上在广泛的游泳参数。不同形状之间的直接比较表明，球形游泳者更群集在小的稳定性和速度的数字，而大值的参数细长细胞集中。我们的研究结果在海洋中浮游植物游泳的相关性进行了简要讨论。
2021-04-10 physics.flu-dyn
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
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
Reciprocal swimming in granular media: the role of jamming and swimmer inertia
University of Michigan（密歇根大学）
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。
2026-07-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Efficient models for micro-swimmers
我们提出了极小模型的一维，二维和三维的微型游泳者在低雷诺数与周期性的非往复运动。这些游泳者是沿着游泳轴线的流体的“推动者”或“拉动者”，或两者的组合，这取决于游泳运动的历史。我们证明了这一点与线性三珠游泳者通过分析评估的迁移速度和强度的偶极流引起的游泳运动。据发现，每个周期和偶极流行进的距离可以从投影到珠之间的两个距离的交会图上的周期的轨迹所包围的区域上的积分获得。二维和三维模型游泳者可以通过打破游泳运动相对于游泳轴的对称性来翻滚，如大肠杆菌或衣原体的翻滚运动中所发生的那样，其使鞭毛的运动去对称化以重新定向游泳方向。我们还提出了一个五珠模型的“螺旋游泳者”，即与螺旋鞭毛和旋转电机连接到细胞体。我们的五珠游泳者被吸引到附近的墙壁上，在那里它顺时针游泳，就像在螺旋鞭毛细菌实验中观察到的那样。
2010-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Trapping of swimmers in a vortex lattice
本文研究了刚性椭球体游泳者在二维定常涡流中的运动。在空间周期性阵列的漩涡游泳的数值模拟揭示了一系列可能的行为，包括捕获在一个单一的漩涡和运动引起的扩散在许多漩涡。虽然捕获概率消失在一个足够高的游泳速度，我们发现，它表现出令人惊讶的大振荡，因为这个临界游泳速度接近。引人注目的是，在更高的游泳速度下，我们发现游泳者垂直于他们的伸长方向游泳可能再次被困。为了解释这种复杂的行为，我们调查的游泳者相空间几何。我们确定的不动点和周期轨道的游泳者运动方程，调节游泳者被困在一个单一的漩涡细胞。对于低到中等的游泳速度，我们发现，一个稳定的周期性轨道包围不变的环面形成了一个运输障碍游泳者，并可以将他们困在个人的漩涡。对于游泳速度接近最大流体速度，我们发现，而不是垂直游泳者可以被困在渐近稳定的不动点。稳定的周期轨道和不动点的分岔分析解释了复杂的和非单调的崩溃和重新出现的游泳者捕获的游泳者的速度和形状是不同的。
2020-02-21 nlin.CD physics.bio-ph physics.flu-dyn
Low-Reynolds number swimming in a capillary tube
本文用边界元法研究了球形模型微生物在圆管中的低雷诺数运动。游泳者在半径与游泳者大小相当的管中通过切向或法向表面运动推进自身。流体动力学与管壁的相互作用显着影响的平均游泳速度和功耗的模型微生物。在平行于管轴游泳的情况下，运动速度总是降低（分别为）。增加）的游泳运动员与切线（分别）。正常）变形。在所有情况下，游泳所需的工作率都因禁闭而增加。游泳者没有力偶极子在远场一般遵循螺旋轨迹，仅引起流体动力学与管壁的相互作用，并在定性协议与最近的实验观察草履虫。拉力类型的游泳者总是在一个取决于其力偶极子强度的位置上表现出稳定的运动：具有弱偶极子（小α）的游泳者在管中心游泳，而具有强偶极子（大α）的游泳者在管壁附近游泳。相比之下，推进式游泳者和那些采用正常变形的人是不稳定的，最终会撞到管壁上。类似的动态观察到游泳到一个弯曲的管。这些结果可能是相关的未来设计的人工微泳在有限的几何形状。
2013-04-29 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Mixing by Swimming Algae
在这个流体动力学视频中，我们展示了被动示踪粒子在游泳微藻，莱茵衣藻悬浮液中的微尺度混合增强。这些双鞭毛、单细胞真核生物（直径10微米）以大约100微米/秒的速度以鞭毛的“蛙泳”拉动运动游动，并表现出不均匀的轨迹形状。荧光示踪颗粒（2微米直径）使我们能够量化的游泳者，这是有关悬浮饲料和生物源混合所造成的增强混合。在没有泳者存在的情况下，示踪粒子仅由于布朗运动而缓慢扩散。随着浓度的增加，示踪剂位移的概率密度函数（PDF）发展出强指数尾，高斯核加宽。高速成像（500赫兹）的示踪剂-游泳者的相互作用表明鞭毛跳动的重要性，在创造振荡流，超过布朗运动约5细胞半径的游泳者。最后，我们还显示了可能的合作运动和游泳藻细胞之间的同步的证据。
2009-10-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimizing the Mean Swimming Velocity of a Model Two-sphere Swimmer
本文从考虑摩擦和惯性效应的简化运动方程出发，研究了粘性流体中双球系统的游动问题。在该模型中，摩擦遵循从Oseen近似的迁移率矩阵，和惯性效应遵循从偶极子近似的附加质量矩阵。由此产生的平均游泳速度分析评估在第一谐波近似。对于具体的参数选择，这是比较准确的结果，从一个数值计算，包括高次谐波。Oseen-Dipole模型与更简单的Oseen* 模型进行了比较，在Oseen * 模型中，仅用单个球体的有效质量来近似附加质量效应，并且忽略了偶极相互作用。平均游泳速度的表达式可以简化为无量纲的标度形式。对于给定的流体粘度和质量密度，可以选择冲程的频率和半径的比率，使得游动速度被优化。
2022-06-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Scaling the tail beat frequency and swimming speed in underwater undulatory swimming
CNRS（法国国家科学研究中心）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
本文提出波动游泳的缩放定律，揭示了游泳速度与长度和频率的关系，指出在0.5-1米临界点以下生物限制主导频率调节，以上则需考虑流体-游泳者相互作用，预测最大游泳速度为5-10米每秒。
2023-01-25 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
Optimal swimmer can be puller, pusher, or neutral depending on the shape
微型游泳者采用最佳推进策略的能力对于他们在低雷诺数下的运动性能和生存至关重要。虽然对于完美的球形游泳者来说，最小耗散需要中性类型的游泳，但任何偏离球形的形状都可能导致游泳者采用新的推进策略，即拉式或推式游泳。在这项研究中，通过使用最小耗散定理的microswimmers，我们确定的流场的最佳近球形的游泳者，并表明，确实取决于形状的轮廓，最佳的游泳者可以是一个拉，推，或中性。使用渐近方法，我们发现，在形状函数的所有模式中，只有第三个模式决定了最优游泳者的游泳类型。
2021-06-28 cond-mat.soft 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
Unsteady Propulsion by an Intermittent Swimming Gait
无粘性计算结果的自推进游泳者建模为一个虚拟的身体结合了二维水翼俯仰间歇约其领先优势。Lighthill（1971）最初提出，这种爆发和滑行行为可以利用粘性骨-Lighthill边界层变薄机制，在游泳过程中节省鱼类能量。在这里，一个额外的无粘性加里克机制被发现，允许游泳者控制他们的增加质量推力产生的力量，他们的循环阻力诱导力的比例，通过减少他们的占空比，DC，运动。这种机制可以节省间歇性游泳者多达60%的能量，它需要以相同的速度连续游泳。无粘能量节省示出增加与运动的幅度增加，增加与减少莱特希尔数，李，并切换到一个充满活力的成本以上的连续游泳足够低的DC。间歇性的游泳者被观察到脱落四个漩涡，形成成组，是自相似的DC每个周期。此外，以前的推力和功率缩放定律的连续自我推进游泳进一步推广到包括间歇性游泳。关键是，通过平均推力和功率系数，只有在爆发期间，然后间歇性的问题可以转化为一个连续的。此外，间歇推力和功率标度关系扩展到预测的平均速度和运输的游泳者的成本。通过调整几个系数与少数模拟这些自我推进的关系可以成为预测。在目前的研究中，平均速度和运输成本的预测范围内的3%和18%的满量程值，通过使用这些关系。
2017-04-25 physics.flu-dyn
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。
2007-09-07 physics.bio-ph 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
School cohesion, speed, and efficiency are modulated by the swimmers flapping motion
鱼群在海洋生物中无处不在。虽然流的相互作用被认为是有益的学校教育，他们的速度，能量和稳定性的确切影响的群体仍然难以捉摸。最近的实验表明，流的相互作用稳定在串联形式的起伏箔。在这里，我们提出了一个最小的方法的涡面模型的基础上，捕捉扑泳者之间的流动相互作用的显着特点，我们研究了自由游泳的一对线游泳者驱动相同的起伏或俯仰运动。我们发现，独立的扑翼模式，追随者被动地稳定在离散的位置后的领导者，与起伏箔实验一致，但俯仰游泳者表现出更紧密，更有凝聚力的形成。此外，与单独游泳相比，俯仰运动增加了该组的能量效率，而起伏运动导致游泳速度略有增加。这些结果概括了流的相互作用提供了一个被动的机制，促进学校的凝聚力，并提供了新的洞察力的拍打模式在控制学校的紧急属性的作用。
2021-04-04 physics.flu-dyn
Second harmonic generation and vortex shedding by a dipole-quadrupole and a quadrupole-octupole swimmer in a viscous incompressible fluid
涡脱落的游泳球在粘性不可压缩流体的表面调制的特点是由一个叠加的偶极和四极，以及四极和八极位移，随时间变化的谐波研究。随时间变化的游泳速度和流速计算的表面调制的振幅的二阶为两个模型。这些模型对于讨论鸟类的飞行也是有用的。
2019-03-28 physics.flu-dyn
Effect of swimming mode on shielding of odor traces in turbulence
Machine Learning Genoa Center (MaLGa) & Department of Civil, Chemical and Environmental Engineering, University of Genoa（热那亚大学机器学习和环境工程学院）；Gran Sasso Science Institute (GSSI)（格兰萨索科学研究所）；INFN–Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室）
研究通过直接数值模拟揭示了游动模式如何影响湍流中气味踪迹的扩散，发现游动能显著降低检测概率，且拉式游动者比推式游动者更有效于气味屏蔽。
2026-05-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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。
2015-02-01 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
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
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
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
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
Understanding the Onset of Oscillatory Swimming in Microchannels
自我推进的胶体（游泳者）在限制的几何形状遵循由流体动力学相互作用与边界表面确定的轨迹。然而，通常这些交互被忽略或截断到最低阶。我们证明，高阶流体动力矩导致杆状游泳者遵循振荡轨迹在两个平行板之间的静态流体，使用格子玻尔兹曼模拟和远场计算的组合。这种行为甚至发生在远离限制壁的地方，并且不需要润滑效果。我们表明，游泳运动员的流体动力学四极矩是至关重要的振荡轨迹的发病。这一见解使我们能够开发一个简单的模型，通道中心附近的动力学的基础上，这些较高的水动力矩，并建议机会，以实验为基础的游泳者的水动力特性的表征。
2016-05-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Burst-and-coast swimmers optimize gait by adapting unique intrinsic cycle
本文通过对鱼类以不同速度游动的爆发-海岸运动的研究，探讨了鱼类间歇游动的物理机制。爆发和海岸制度包括一个周期与两个连续的阶段：一个阶段的积极波动动力的鱼肌肉其次是被动滑翔阶段。观察真正的鱼的游泳步态被迫在水槽从低到高的速度制度，使用的鱼的运动学和力学的完整描述。我们首先表明，鱼调制一个独特的内在周期，以维持所需的速度，通过修改的爆发，以滑行的比例，同时保持周期的持续时间不变。其次，我们使用数值模拟表明，所选择的运动学对应于优化的步态范围内的游泳速度测试。
2020-02-21 physics.bio-ph 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
3-D Printed Swimming Microtori for Cargo Transport and Flow Manipulation
经过数十亿年的进化，微生物掌握了独特的游泳行为，以在复杂的流体环境中繁衍生息。到目前为止，纳米纤维的局限性阻碍了设计和编程具有相同能力的合成游泳者的能力。在这里，我们使用纳米级3D打印对人工游泳者的多行为反应进行编码，例如微观的自推进tori。我们从实验和理论上证明了圆环面在磁场作用下在两种主要的游动模式之间连续过渡。Tori还可以操纵和运输其他人造游泳者、纳米棒以及被动胶体颗粒。在第一种行为模式中，环面积累和运输纳米棒;在第二种模式中，纳米棒沿着环面的自生流线排列。我们的研究结果表明，这种形状程序化的微泳者有可能操纵生物活性物质，例如细菌或细胞。
2020-04-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Deep reinforcement learning for tracking a moving target in jellyfish-like swimming
State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, College of Engineering, Peking University（湍流与复杂系统国家重点实验室，工程学院，北京大学）；HEDPS-CAPT, Peking University（HEDPS-CAPT，北京大学）
本文提出基于深度Q网络与动作调节的深度强化学习方法，训练类水母柔性游动体在二维流场中克服流固耦合延迟并快速跟踪移动目标，扩展了机器学习在流体环境中控制柔性物体的应用。
2024-09-13 cs.AI physics.flu-dyn
Swimming at Low Reynolds Number
本文讨论了低雷诺数下的游泳问题。这种状态通常用于微型游泳者，由斯托克斯方程描述。我们耦合一个PDE求解器的斯托克斯方程，从感觉++有限元库，以四元数为基础的刚体求解器。我们分别在二维精确解和旋转刚体的精确解上验证了我们的数值结果。最后，我们应用它们来模拟一个单铰游泳者的运动，它服从扇贝定理。
2019-11-27 math.AP physics.flu-dyn
Swimming with a cage: Low-Reynolds-number locomotion inside a droplet
最近的实验使用合成microswimmer操纵液滴的启发，我们调查的低雷诺数运动的模型游泳者（球形蠕动）封装在一个液滴的大小相当的另一种粘性流体。仅通过流体动力学相互作用进行冥想，被囚禁的游泳者被认为能够推动液滴，并且在某些情况下，两者都保持在稳定的共同游泳状态。这个问题是解决使用一个精确的分析理论和基于边界元法的数值实现，特别注重在同心配置的共同移动的游泳者和液滴的运动学，我们得到了很好的定量两者之间的协议。液滴总是比使用纯切向表面致动的游动器移动得更慢，但是当游动器使用切向和法向致动的特定组合时，蠕动器和液滴能够获得相同的速度并且始终保持同心。接下来，我们采用数值模拟来研究他们的同心共同运动的稳定性，并强调几个稳定的情况下，根据游泳者采用的特定步态。此外，我们表明，液滴反转的远场流的性质引起的游泳者：一个液滴笼把推游泳者成拉，反之亦然。我们的工作揭示了液滴作为化学成分的自含载体和用于可控和精确药物递送的自推进装置的潜在发展。
2017-03-11 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
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。
2022-07-15 physics.flu-dyn
Emergent dynamics and spatiotemporal patterns in soft robotic swarms
本文研究螺旋磁驱动软体机器人在粘性流体中的三维集体游动，揭示游动方向差异导致吸引、横向差异导致排斥并最终收敛于单一横向平面径向漂移的涌现时空模式。
2024-09-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulations of Brownian tracer transport in squirmer suspensions
除了能够向具有有利生活条件的环境移动外，微生物的游泳也与其种群的混合和营养吸收的改善有关。实验研究表明，布朗示踪粒子由于游泳者而表现出增强的扩散，而理论模型将这种扩散的增加与游泳微生物产生的流动以及与游泳者的碰撞联系起来。在这项研究中，我们进行了详细的模拟的基础上的力耦合方法及其最近的扩展游泳和布朗粒子研究示踪剂的位移和有效示踪剂的扩散蠕动悬浮液。通过隔离效应，如流体动力学或空间相互作用，我们提供物理洞察示踪剂位移分布的实验测量。此外，我们将结果扩展到半稀释制度，其中游泳者-游泳者相互作用影响示踪剂运输和有效示踪剂扩散率不再与游泳者体积分数呈线性关系。
2017-11-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The pairwise hydrodynamic interactions of synchronized spermatozoa
哺乳动物精子在自然界中的运动依赖于其个体的运动能力。通常在拥挤的微环境中游泳，任何一个游泳者的进步都可能取决于他们与附近其他游泳者的互动。虽然孤独的精子的复杂动力学已经得到了很好的研究，邻居之间的流体动力学相互作用的详细影响仍然不清楚，与固有的非线性在管理流体动力学和潜在的游泳者形态的细节依赖。在这项研究中，我们将试图阐明成对的虚拟精子的游泳行为，形成一个计算表示的一个未绑定的游泳对，并通过一个高精度的边界元方法评估他们的相互作用的细节。我们已经探索了广泛的区域的参数空间，以确定成对的相互作用的同步精子，与同步游泳者经常被注意到在实验观察，并发现，二维减少自主动力系统捕获的各向异性性质的游泳速度和稳定性所产生的近场流体动力学相互作用。专注于两种配置的精子，即那些游泳者位于并排或上下，我们发现，并排的细胞相互吸引，以及在相平面中的轨迹捕获最近提出的粗粒化方法的microswimmer动力学通过叠加正则Stokeslet。与此相反，上下对表现出显着的稳定成对游泳行为，对应于一个稳定的配置的平面自治系统与游泳者躺在彼此近似平行。
2019-08-23 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming near Deformable Membranes at Low Reynolds Number
在自然界中，很少发现微生物在无限的流体中自由游动。相反，它们通常会遇到其他生物体、硬壁或可变形的边界，如自由界面或膜。游泳者和附近物体之间的流体动力学相互作用导致许多有趣的现象，例如游泳速度的变化，积累或转向的趋势，以及协调的鞭毛跳动。受这类问题的启发，我们研究了变形边界附近的微生物运动。我们计算了无限长的游泳者接近分离两种流体的柔性表面的速度，我们还计算了柔性表面的变形和游泳速度。当柔性界面两侧的粘度不同时，我们发现流体沿着或逆着游泳方向被泵送，这取决于哪个粘度更大。
2013-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modal analysis and optimization of swimming active filaments
本文将活性柔性纤丝的游动表述为数学优化问题，证明利用少量本征模态可准确描述并优化其运动，显著降低计算复杂度，并揭示了单相驱动力纤丝运动由四个本征模态控制且仅两个独立。
2025-09-25 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Propulsion of a two-sphere swimmer
我们描述的实验和模拟演示的推进力的中性浮力游泳者，由一对球体连接的弹簧，沉浸在振动的流体。流体的振动引起球体的相对运动，对于足够大的振幅，这可以导致两个球体的质心的运动。我们发现，从实验和模拟获得的游泳速度同意和崩溃到一个单一的曲线上，如果绘制作为流雷诺数的函数，这表明，推进流有关。似乎有一个临界值的流动雷诺数游泳发生。随着雷诺数的增加，我们观察到流动流动的变化，从两个独立振荡球体产生的流动变化到整个游泳者周围的集体流动模式。游泳的机制可以追溯到加强游泳者身后的流体射流。
2016-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rotation of slender swimmers in isotropic-drag media
细长细丝的阻力各向异性是允许在低雷诺数流动中游泳的关键物理性质，并且没有它线性平移是不可能的。在这里，我们表明，相比之下，净旋转可以发生在各向同性阻力。我们首先证明这一结果正式考虑的后果的力和扭矩的条件下游泳机构，然后我们说明它与两个例子（一个简单的游泳者由三个杆和一个模型细菌与两个螺旋鞭毛丝）。我们的研究结果突出了不同的作用，水动力在产生平移与~旋转推进
2016-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stochastic dynamics of active swimmers in linear flows
关于低雷诺数游泳的流体动力学的大多数经典工作都涉及静止环境中的确定性运动。已知流体中的热波动会导致游动方向的布朗损失。由于大多数细胞或合成的游泳者沉浸在外部流中，本文从理论上考虑了模型活性粒子（自推进球）在稳定的一般线性流中的随机动力学。随机性既来自物理空间中的平移扩散，也来自方向空间中的旋转扩散和翻滚动力学的组合。我们首先推导出一个一般配方的所有组件的长时间的均方位移张量的游泳者与时间相关的游泳速度，其方向decorrelates由于单独的旋转扩散。这个一般的框架是适用于获得对流增强均方位移的一个swelly-swimming粒子在三个典型的线性流（延伸，简单剪切，和固体旋转）。然后，我们将展示如何扩展我们的结果的情况下，游泳者的取向也decorrelates的运行和翻滚动力学帐户。自推进一般会导致相同的长时间的时间的线性流中的被动粒子的时间标度，但增加了系数。在特定的情况下，固体旋转，有效的长时间扩散是相同的，在一个静止的流体，我们澄清缺乏流动依赖性，通过简要检查椭圆线性流动的动态。通过比较新的主动条款与被动粒子，我们看到，游泳可以导致增强的均方位移的数量级，并可能是相关的生物有机体或合成的游泳设备在波动的环境或生物流。
2014-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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。
2011-03-31 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
Swimming trajectories of a three-sphere microswimmer near a wall
在粘性流中，由自推进的活性颗粒和游动的微生物产生的流体动力学流场被附近边界的存在强烈地改变。使用一个简单的模型三个链接的球体游泳者，我们表明，附近的无滑壁的游泳轨迹揭示了各种方案的运动取决于初始方向和游泳者从墙壁分离的距离。我们发现，游泳者可以被困的墙壁，完全逃脱，或执行振荡滑翔运动在一个恒定的平均高度以上的墙壁。使用远场近似，我们发现，在领先的顺序，壁诱导校正源偶极或四极流结构的平移和角速度的游泳者衰减为倒数第三和第四权力与距离墙，分别。所得到的运动方程的轨迹和相关的序参量充分表征状态之间的过渡，并允许一个准确的描述附近的墙壁的游泳行为。我们证明了捕获和振荡滑动状态之间的过渡是一阶不连续的，而捕获和逃逸状态之间的过渡是连续的，其特征在于非平凡的标度指数的序参量。为了模拟固体界面附近的鞭毛细菌的圆周运动，我们进一步假设球可以围绕游泳轴进行旋转运动。我们表明，一般的三维运动可以映射到一个准二维的代表性模型通过适当的重新定义的序参量之间的过渡游泳状态。
2018-03-14 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
