Planar Multi-link Swimmers: Experiments and Theoretical Investigation Using "Perfect Fluid" Model
机器人游泳者目前是广泛研究和开发的几个水下应用的主题。聪明的设计和规划必须依赖于简单的理论模型，考虑游泳者的流体动力学，以优化其结构和控制输入。在这项工作中，我们研究了一个平面蛇形多连杆游泳者通过使用“完美流体”模型，占惯性水动力，而忽略粘性阻力的影响。游泳运动员的动力学方程的制定和减少到一阶系统由于广义动量变量的对称性和守恒。针对关节角度的振荡输入，通过数值积分研究了3连杆和5连杆游泳运动员的最佳步态。对于3连杆游泳运动员，我们还提供了一个小振幅的渐近解，使获得封闭形式的近似最佳步态。然后，理论结果通过具有3个和5个连杆漂浮在水池中的无绳机器人原型的实验和运动测量得到证实，表明实验和理论模型之间存在合理的一致性。
2018-11-20 physics.flu-dyn
Noise-induced aggregation of swimmers in the Kolmogorov flow
我们研究了一个模型的动态椭球microswimmer在一个外部施加的，层流Kolmogorov流。通过相空间分析的动力学无噪声，我们发现，游泳运动员喜欢横流或旋转漂移，这取决于他们的游泳速度和长宽比。当包括噪声时，即旋转扩散，我们发现游泳者被驱动到相空间的某些部分，导致非均匀的稳态分布。这种分布表现出从游泳者聚集在低剪切区域的流动聚集在高剪切区域的游泳者的速度，纵横比，和旋转扩散率的变化。为了解释游泳者的非均匀相空间分布，我们采用弱噪声平均原理，产生减少描述的随机游泳者动态。使用这种技术，我们发现，某些游泳者的轨迹是更有利的比别人在弱旋转扩散的存在。通过将这些信息与游泳者沿着每个轨迹的相空间速度相结合，我们预测了游泳者倾向于积累的相空间区域。平均技术的结果是在良好的协议与直接计算的稳态分布的游泳者。特别是，我们的分析解释了从低剪切到高剪切聚集的过渡。
2021-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
On the DLM/FD methods for simulating neutrally buoyant swimmer motion in non-Newtonian shear thinning fluids
本文讨论了基于Lagrange乘子的虚拟区域（DLM/FD）方法的推广，用于模拟非牛顿剪切稀化流体中非对称形状的中性浮力粒子的运动。本文将非牛顿剪切稀化流体定常Poiffille流的数值解与二维通道中的精确解进行了比较。对于由两个圆盘组成的自推进游动体，当Carreau-Bird模型中的功率指数值减小时，剪切变稀效应使游动体运动速度加快，临界雷诺数（运动方向相反）减小。
2021-11-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Re-entrant bimodality in spheroidal chiral swimmers in shear flow
我们使用一个连续介质模型报告的行为的稀释悬浮液的手征游泳受到外部施加的剪切平面通道。游泳者的取向，在施加的剪切响应的特点是两个不同的阶段的行为，对应于单峰或双峰分布函数的游泳者取向沿通道。这些阶段表明发生（或不发生）的人口分裂现象改变的宏观部分的活性颗粒的游动方向的确切相反的规定所施加的流量。我们提出了一个详细的定量分析阐明的复杂性添加到人口分裂行为的游泳者，当他们是手性的。特别是，从单峰到双峰的过渡，反之亦然，显示通过改变手性角速度跨越参数空间的再入行为。我们还提出了显着的颗粒纵横比和自推进速度对系统相行为的影响，并讨论了我们的研究结果在应用中，如游泳者分离/分选的潜在影响。
2018-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
Mixing by squirmers in stratified fluids
本研究通过球形游动体模型量化分层流体中微小游泳者的混合效率，发现近场混合与以往一致，总体混合大于点状游泳者但仍弱；小尺寸游泳者难以显著混合，但提出了若干可促进海洋混合的新途径。
2025-02-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pairwise and collective behavior between model swimmers at intermediate Reynolds numbers
我们计算研究了对相互作用和集体行为的不对称，哑铃游泳在一个范围内的中间雷诺数和初始配置。根据初始位置和Re，我们发现两个游泳者要么相互排斥并游开，要么组装四个稳定对中的一个：直列和串联，平行和反平行。在这些稳定的配对中，游泳者协调一致，一起游泳，并作为一个整体产生流体流动。我们比较了稳定的双人游和单人游的速度、游泳方向和流体流动。直列稳定对表现得很像单个游泳者从拉式到推式冲程平均流场的过渡。相比之下，对于串联对，我们发现在游泳方向过渡的差异，以及冲程平均流体流动方向。值得注意的是，串联V对在比单个游泳者更高的$\text{Re}$处切换其游泳方向，而串联轨道对在更低的$\text{Re}$处切换。我们还研究了一个系统的122名游泳运动员，发现集体行为过渡到小的，瞬态串联集群的雷诺数增加，从线网络连接，符合线串联成对的行为。在集体行为的细节涉及形成的三元组和其他多体流体动力学相互作用，没有捕捉到任何一对或单个游泳者的行为。我们的研究结果显示了中级$\text{Re}$游泳者集体行为的丰富性和复杂性。
2021-04-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
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。
2013-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Helical Locomotion in Yield Stress Fluids
本文研究屈服应力流体中螺旋游泳者的运动，发现需克服屈服应变并依靠粘性力塑性变形材料才能实现净运动，且屈服应力在小螺距角下阻碍、大螺距角下增强游泳速度。
2025-09-08 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
Elastic swimmer on a free surface
我们在这个流体动力学视频中提出了一种新的实验装置与自推进游泳者在自由表面上。模拟为柔性细丝的游泳者受到驱动传播弹性波的外部电磁力的作用，从而产生自推进。这些被动的鳗形游泳者的流体-结构相互作用问题被分析在：S。拉马纳纳里武河Godoy-Diana和B. Thiria.被动弹性机制模拟鱼类肌肉动作在鳗状鱼游泳。J. R. Soc. Interface，10，20130667（2013）。DOI：10.1098/rsif.2013.0667
2013-10-07 physics.flu-dyn
Dipolar thermocapillary motor and swimmer
我们提出了一个理论描述和实验实现的热毛细偶极子诱导下的稳定的温度梯度下的Hele-Shaw细胞。我们通过实验演示了几个偶极子如何可以叠加，以创建各种二维流动模式，以及如何限制偶极子可以作为一个热毛细电机驱动微流体回路中的流体。此外，我们展示了如何背后的热毛细偶极子的原则，可以应用于驱动热毛细游泳者的流体-液体界面。
2019-02-10 physics.flu-dyn
Fluid transport by individual microswimmers
我们讨论的路径的示踪粒子作为一个microswimmer移动过去的一个无限的直线轨迹。如果示踪剂离游泳者的路径足够远，则它以闭环运动。当示踪剂与游泳者$ρ$的路径之间的初始距离减小时，示踪剂向后移位一小段距离（相对于游泳者速度的方向）。然而，对于小得多的示踪剂-游动体分离，示踪剂位移变为正的，并且发散为$ρ\to 0$。为了量化这种行为，我们计算达尔文漂移，总体积扫出的示踪剂，最初垂直于游泳者的路径，在游泳运动的材料片。我们发现，漂移可以写为一个{ \em通用}项的总和，这取决于四极流场的游泳者，连同非通用的贡献的总和的体积的游泳者和它的尾流。该公式相比，精确的结果为蠕动模型和数值计算为一个更现实的模型游泳者。
2012-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Pair Dispersion in Dilute Suspension of Active Swimmers
生物和人工微泳者的集合产生具有强烈非平衡波动的长程速度场，这导致嵌入颗粒（示踪剂）的扩散率急剧增加。虽然这种增强的扩散率可能指向流体的增强的混合，但混合效率的严格量化需要分析示踪剂的成对分散，而不是简单的单粒子扩散率。在这里，我们计算分析的相对扩散系数的被动示踪剂嵌入在一个稀释的悬浮液中的运行和翻滚microswimmer的尺度相关。虽然每个示踪剂受到强烈的波动，导致大的绝对扩散率，小规模的相对分散被抑制，由于流体速度的相关性，这是相关的，当示踪剂间的分离是低于游泳运动的持续长度。我们的研究结果表明，游泳方向的重新定位在生物混合中起着重要的作用，并应考虑在设计潜在的活性物质设备能够有效的流体混合在微尺度。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Buoyancy-dependent induced flow by vertically migrating swimmers
California Institute of Technology（加州理工学院）
研究了盐度变化对垂直迁移卤虫群体诱导流的影响，发现流体密度是影响诱导速度的关键因素，通过回归分析验证了密度的显著预测作用。
2026-05-08 physics.flu-dyn
The hydrodynamics of slender swimmers near deformable interfaces
本文研究了运动细长微游泳体与分离两个牛顿流体区域的可变形界面之间的耦合流体动力学。从由游泳运动产生的扰动场，我们定量表征的接口变形和耦合修改的microswimmer翻译本身的方式。我们对待的角色的游泳者类型（推和拉），尺寸和模型的接口，可以变形，由于表面张力和弯曲弹性。我们的分析揭示了强烈的依赖性的流体动力学的游泳者的方向和位置。给定两种流体介质的粘度、界面性质和游动体类型，游动体可以根据其配置朝向或远离界面迁移。当游泳者平行于界面定向时，如果其在更粘滞的流体中游泳，则推动器型游泳者在短时间内从界面被排斥。然而，在很长一段时间，推总是吸引界面，拉总是从它排斥。另一方面，垂直于界面取向的游泳者表现出相反的平行游泳者的迁移模式。因此，一个主机的复杂的迁移轨迹出现任意取向的界面的游泳者。我们发现，限制一个游泳者之间的刚性边界和可变形的接口的结果在制度的吸引力对两个表面取决于游泳者的位置在通道中，无关的粘度比。不同的迁移模式是最突出的顺序从接口，细长的游泳者模型产生一个更好的近似耦合流体动力学的游泳者大小的区域。
2022-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Bayesian uncertainty quantification for micro-swimmers with fully resolved hydrodynamics
由于具有完全解析的流体动力学的微型游泳者模型的计算复杂性，参数估计一直非常昂贵。在这里，我们描述了一个贝叶斯不确定性量化框架，是高度并行化，复杂的前向模型的参数估计易于处理。使用嘈杂的硅片数据的游泳运动员，我们证明了该方法的鲁棒性估计流体和弹性游泳参数。我们提出的方法允许分析的真实数据，并展示了潜在的参数估计为各种类型的微型游泳者。更好地了解弹性微结构在粘性流体中的运动可以帮助开发用于生物医学应用的人工微游泳者，并对允许某些运动模式的参数范围有基本的了解。
2019-10-26 cs.NA math.NA physics.bio-ph
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
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
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
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
Regimes of motion of magnetocapillary swimmers
利用格子玻尔兹曼方法研究了三角形磁毛细游动体的动力学行为。执行广泛的数值模拟，考虑到流体-流体界面的耦合动力学和磁性颗粒漂浮在它上面，并由外部磁场驱动，我们确定了几个制度的游泳运动。在高频率的情况下，游泳者的最大速度集中在粒子的逆滑行时间附近。修改的比率的表面张力和磁力允许研究的游泳者传播的制度中的显着较低的频率主要由磁毛细势的强度定义。最后，引入一个恒定的磁贡献，在每个粒子除了他们的磁矩引起的外部领域导致另一个政权的特点是强大的面内游泳者重新取向，类似于实验观察。
2020-11-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Tuna-Like Swimmers Experience a Fluid-Mediated Stable Side-by-Side Formation
Lehigh University（利哈伊大学）；University of Virginia（弗吉尼亚大学）；Brown University（布朗大学）
基于金枪鱼的生物机器人通过流体通道效应实现稳定并排游动，其稳定性不受相位同步影响，且对运输成本影响较小。
2025-12-19 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
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
Fast Aquatic Swimmer Optimization with Differentiable Projective Dynamics and Neural Network Hydrodynamic Models
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；ETH AI Center（苏黎世联邦理工学院人工智能中心）；Institute of Neuroinformatics, ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院神经信息学研究所）
水中运动是生物学家和工程师感兴趣的经典流固耦合问题。求解不可压Navier-Stokes方程和有限弹性力学的完全耦合流固耦合方程的计算量很大。在这样的系统中优化机器人游泳者设计通常涉及在已经昂贵的模拟之上的繁琐的、无梯度的程序。为了解决这一挑战，我们提出了一种新的，完全可微的混合方法FSI相结合的2D直接数值模拟的可变形的固体结构的游泳者和物理约束的神经网络代理捕捉流体的流体动力学效应。对于游泳运动员身体的变形实体模拟，我们采用计算机图形学领域的最新技术来加速有限元法（FEM）。对于流体模拟，我们使用基于物理的损失函数训练的U-Net架构来预测每个时间步的流场。从神经网络的压力和速度场输出采样周围的边界，我们的游泳运动员使用浸入边界方法（IBM）计算其游泳运动准确和有效。我们证明了我们的混合模拟器的计算效率和微分的2D carangiform游泳。由于可微性，该模拟器可用于通过直接基于梯度的优化对浸入流体中的软体进行控制的计算设计。
2022-06-22 cs.LG cs.RO physics.flu-dyn
Do Proximate Micro-Swimmers Synchronize their Gait?
在这段流体动力学视频中，我们展示了低雷诺数游泳者，如小杆线虫（C.）优雅的，同步他们的步态时，游泳在接近，以最大限度地利用空间。同步最可能的结果从空间位阻和提高推进速度只有边际。
2012-10-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamics of confined active fluids
我们从理论上描述了限制在薄液膜中的游动种群的动力学。我们首先证明了封闭游泳者之间的流体动力学相互作用仅取决于它们的形状，并且独立于它们特定的游泳机制。我们还表明，由于与墙壁的摩擦，限制游泳者不重新定向，由于流动梯度，但流场本身。然后，我们量化的后果，这些微观的相互作用规则的大规模流体力学的各向同性人口。我们详细研究了它们的稳定性和由此产生的相行为，突出了与传统的主动，三维悬浮液的差异。两类极地游泳者根据其几何极性而被区分。第一类产生的相干定向运动在所有尺度，而对于第二类，我们预测自发形成的相干集群（群）。
2012-08-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Deep reinforcement learning based navigation of a jellyfish-like swimmer in flows with obstacles
本文提出在软演员-评论家算法中加入实时力和力矩反馈，使仿生水母游动体能够感知壁面流体动力特征，在含障碍物流场中实现更早、更平滑的高效避障与转向，并验证了其在自主洞穴测绘中的应用价值。
2025-11-06 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
Two-fluid model for locomotion under self-confinement
幽门螺杆菌通过侵入保护上皮细胞的粘液层引起人类胃溃疡。它通过化学改变粘液的流变特性从高粘度凝胶到低粘度溶液，在其中它可以自我推进。我们开发了一个双流体模型下自生约束的游泳过程。我们精确地解决了位于两个牛顿流体的球对称系统中的球形游泳者的流动和运动速度，该系统的边界随游泳者移动。我们还分别讨论了不动外部流体的特殊情况。在所有的情况下，我们都考虑了流场，它们的空间衰减，以及粘度比和限制程度对模型游泳者运动速度的影响。流动的空间衰减保持与单一流体中的运动相同的幂律衰减，但幅度减小。独立的假设选择来解释限制对游泳者施加的驱动的影响，其运动速度总是随着限制程度的增加而减小。我们的建模结果表明，一个低粘度区域的至少六倍的有效游泳者的大小需要导致游泳的速度类似于运动在一个无限的流体，对应于一个区域的大小以上$\approx 25~μ$ m的幽门螺杆菌。
2017-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamics of a helical swimmer crossing viscosity gradients
本文对低雷诺数螺旋游动体在粘性梯度下运动的动力学进行了实验和理论研究。在实验上，通过将两种密度相似但动力粘度不同的可混溶流体叠加，产生了双层粘度。然后使合成螺旋磁驱动的游动器沿着四种不同的配置移动穿过粘度梯度：头先（推进游动器）或尾先（拉动器），以及通过正（即从低粘度到高粘度）或负粘度梯度。我们观察到定性差异的渗透动力学为每种情况下。我们发现，游泳的速度可以增加或减少，而游泳的粘度界面，这是由于事实，即头部和尾部的游泳者可以在环境中，其中局部粘度导致不同的相对量的阻力和推力。为了使实验测量合理化，我们接下来开发了一个理论流体动力学模型。我们假设，经典的连续力理论的细长细丝是局部有效的沿螺旋桨和使用它来计算游泳速度作为一个函数的游泳者相对于流体-流体界面的位置。对于正粘度梯度的情况，模型的预测与实验吻合得很好。当穿越负梯度时，实验中的引力变得重要，我们修改了模型，以包括浮力，这与实验一致。总的来说，我们的研究结果表明，它是很难为推动游泳者从低粘度到高粘度的交叉，而拉游泳者，它是相反的。我们的模型也被扩展到游泳者穿越连续粘度梯度的情况。
2020-12-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Micro-swimmer collective dynamics in Brinkman flows
本研究针对复杂生境中微型游泳者的集体动力学问题，建立Brinkman湿多孔介质中的连续介质耦合理论，通过分析与模拟发现阻力可延迟、阻碍甚至完全抑制集体游泳不稳定性，为相关实验提供理论参考。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal slip velocities of micro-swimmers with arbitrary axisymmetric shapes
本文提出了一种计算方法，用于确定任何给定形状的轴对称微型游泳者悬浮在粘性流体中的最佳滑移速度。目标是最小化功率损失以保持目标游泳速度，或者等效地最大化微型游泳者的效率。由于斯托克斯方程的线性流体运动，我们表明，这个PDE约束的优化问题减少到一个更简单的二次优化问题，其解决方案是使用高阶精确的边界积分方法。我们考虑各种家庭的形状参数化的减少体积和计算其游泳效率。其中，长球体被发现是对于给定的减小的体积最有效的微型游泳者形状。我们提出了一个简单的基于形状的标量度量，它可以确定给定形状上的最佳滑动是否使其成为推动者，拉动者或中性游泳者。
2020-10-02 cond-mat.soft math.OC physics.flu-dyn
Fluid mixing by curved trajectories of microswimmers
我们认为示踪剂扩散$D_{rr}$，从运行和翻滚运动的低雷诺数游泳者，如细菌。假设在稀释的悬浮液中，细菌以不相关的长度$λ$移动，我们获得了三维偶极游泳者的$D_{rr}$的精确表达式，从而解释了这与$λ$无关的令人惊讶的结果。我们比较了$D_{rr}$的贡献示踪剂扩散夹带。
2013-07-23 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Fluid transport and mixing by an unsteady microswimmer
我们研究了流体漂移，由于一个时间依赖的哑铃模型的微型游泳。该模型捕捉到的重要方面，如一个时间依赖性的鞭毛运动和一个无滑体的真正microswimmer。该模型由一个刚性的球体的身体和一个随时间变化的移动Stokeslet代表鞭毛。我们分析了理想化的流体粒子的路径由游泳者取代。该模型的简单性允许一些渐近计算非常接近和远离游泳者。靠近游泳者的颗粒的位移以类似于孤立的无滑移球体的方式发散，但是由于鞭毛的作用而具有较小的系数。远离游泳者，时间依赖性变得可以忽略不计，因为两者都非常快并且随着距离而衰减。最后，我们计算粒子位移的概率分布，发现我们的模型比以前的稳定模型有更胖的尾巴，由于存在一个无滑动表面，拖动粒子。
2016-07-09 cond-mat.soft 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
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
Self-organization of swimmers drives long-range fluid transport in bacterial colonies
细菌通常生活在结构化的群落中，影响人类健康和生态系统。异质种群，如运动和非运动种群，经常共存于细菌群落中。微生物群落中的运动亚群被认为是重要的扩散，寻找食物，和物质运输。然而，除了在运动细胞驱动菌落扩张（例如细菌群集）的情况下，细菌群落中运动亚群的生理功能在很大程度上是不清楚的。在这里，我们发现，在常规培养的无柄菌落的围毛鞭毛细菌的运动细胞可以自我组织成两个相邻的，厘米级的运动环周围的整个殖民地。运动环产生于模仿相分离的均匀游泳者悬浮液的自发分离;该过程由细胞间相互作用和剪切诱导的耗竭介导。作为这种自组织的结果，细胞驱动流体流以大约每秒30微米的恒定峰值速度围绕集落循环，为宏观尺度的定向材料运输提供稳定和高速的途径。这些发现提出了一种独特的细菌自组织形式，影响细菌群落中的种群结构和物质分布。
2019-04-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming through parameter subspaces of a simple anguilliform swimmer
几十年来，计算科学家一直在研究多种不同系统的游泳性能。大多数模型依赖于许多模型参数，并且性能对这些参数敏感。本文定性地确定了一个理想化的简单游泳模型的参数子空间，在该参数子空间中存在增强的游泳性能。一种具有鳗状运动方式的生物体。计算模型采用浸入边界法求解流体相互作用系统。1D游泳者通过动态地改变其优选的身体曲率来向前传播自身。观察表明，游泳运动员的表现似乎更敏感的流体规模和中风的频率，而不是在速度和加速度的变化，无论是作为一个整体的上行或下行。帕累托式的最优前沿也确定了运输成本和游泳速度的数据。虽然这种方法允许一个定位强大的参数子空间所需的性能在一个简单的方式，它是在模拟数量级的模拟比传统的流体-结构相互作用的研究的成本。
2020-11-21 physics.flu-dyn q-bio.QM
Magnetically actuated artificial microswimmers as mobile microparticle manipulators
Clemson University（克莱姆森大学）
微型游泳机器人已经被设想用于许多医疗应用，例如靶向药物递送，其中微型机器人将被期望通过携带有效载荷的通道在流体中导航。或者，在许多情况下，这种有效载荷不必物理地绑定到游泳者，而是可以由微型机器人操纵和引导通过通道。我们研究这个问题的非接触操作的微粒在低雷诺数的流体中的移动microswimmer。我们考虑一个模型的磁驱动的人工microswimmer，其运动通过流体中诱导的扰动速度场的流体，然后采取行动，推动货物颗粒在其附近。因此，本文研究的问题是一个耦合运动操纵的两个机构在流体中。磁性游泳者的运动是由外部施加的恒定强度的磁场驱动的，但其方向在平面内以恒定速率旋转。如果与周期性磁场相关的频率高于临界频率，则游泳者在垂直于该平面的方向上推进自身。低于这个临界频率，游泳者在没有网运动的情况下翻滚。采用Stokesian动力学方法对流体-游动体-货物质点耦合动力学进行了数值求解。货物粒子的诱导运动是可控的。这是通过切换磁场的旋转平面以及切换高于和低于临界频率的磁场的频率来实现的。虽然一个游泳运动员具有特定的几何形状已被用于模型中，本文的结果是适用于游泳运动员与其他几何形状和推进手段。本文的研究结果表明，微泳者可以利用作为移动机械手的微粒在流体中。
2019-09-06 cond-mat.soft cs.RO 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
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
Locomotion by tangential deformation in a polymeric fluid
在几种生物学相关的情况下，细胞运动发生在Weissenberg {number}大于1的聚合物流体中。在这里，我们提出了在低雷诺数的模型聚合物（Giesekus）流体中的自推进体的稳定运动的三维数值模拟的结果。运动是由物体表面的稳定切向变形（所谓的蠕动运动）驱动的。在球形蠕动的情况下，我们表明，游泳速度系统小于在牛顿流体中，与最低发生的Weissenberg数的顺序一。游泳者所做的功的速率与单独在牛顿溶剂中发生的功的速率相比总是上升，但总是低于在具有相同粘度的牛顿流体中游泳所需的功率。游泳效率，定义为在相同流体中以游泳速度拉动身体所需的功的速率与游泳所做的功的速率之间的比率，发现在聚合物流体中总是增加。进一步的分析表明，聚合物应力打破了牛顿前后对称的身体周围的流动剖面。特别是，一个强大的负弹性尾流是目前背后的游泳者，这与强大的聚合物拉伸，其强度增加与Weissenberg数和粘度对比。{The由蠕动引起的速度在空间中的衰减速度比在牛顿流中的衰减速度快，并且对聚合物的弛豫时间和粘度有很强的依赖性。我们的计算结果也扩展到长球形游泳者和较小的聚合物拉伸细长形状相比，虚张声势的游泳者。游泳者的长宽比为2被认为是最有效的流体动力学。
2012-11-30 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Is the active suspension in a complex viscoelastic fluid more chaotic or more ordered?
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）
研究发现，在复杂粘弹性流体中，聚合物通过增强游动者极化和方向有序性，促进主动悬浮体的有序性。
2025-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
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
Micro-swimmer locomotion and hydrodynamics in Brinkman Flows
Universidad de Chile（智利大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）
研究微游泳器在Brinkman流体中的运动特性及流体动力学行为，推导了哑铃游泳器的游泳速度与阻力关系，并分析了远场流场的解析表达式。
2025-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Axisymmetric Squirmers in Stokes Fluid with Nonuniform Viscosity
数值研究了粘性依赖于营养盐浓度的复杂流体中轴对称微游动体的纤毛运动和摄食。微型游泳者被建模为具有球形几何形状，并且纤毛跳动通过滑动速度来建模;即，适应蠕动者。在游泳和喂养的球形蠕动之间的耦合，它被发现，游泳速度和喂养的影响最大的非均匀的粘度环境时，对流力的比例，其特征在于由无量纲Peclét数，是温和的（$\text{Pe}\approx 10$）。这些变化与蠕动体表面压力的显著增加相关。扁球体的游泳和摄食变化比长球体更显著。最有趣的是，非平凡的对称滑移边界条件的表面上的蠕动，这导致在零净运动在恒定粘度的流体，可以产生非零的推进时，配对不对称的营养边界条件。对称流体边界条件可导致不对称推进的事实对复杂流体中的人工微型游泳者和其他低$\text{Re}$蠕动者的设计具有影响。
2019-04-01 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
An elastic two-sphere swimmer in Stokes flow
由于斯托克斯方程的运动学可逆性，在牛顿流体中以低雷诺数游泳仅通过非互易体变形是可能的。我们认为在这里的模型游泳者组成的两个链接的领域，其中一个领域是刚性的和其他不可压缩的neo-Hookean固体。这两个球体由一根周期性地改变其长度的杆连接。我们发现，身体的变形是非可逆的，尽管可逆的驱动，因此，弹性的两个球体的游泳者向前推进。我们的研究结果表明，即使是微弱的弹性形变的身体可以影响运动，并可能在设计人工微型游泳者。
2017-03-05 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
