利用流体力学信号实现微游动生物的主动陀螺稳定
流体动力学
2021-12-17 v2 软凝聚态物质
摘要
许多浮游生物物种在湍动海洋中每天垂直迁移至很大深度。为了高效完成这一过程，浮游生物可利用陀螺机制，使其与重力对齐而向下游动，或逆重力而向上游动。许多物种表现出被动的陀螺稳定机制。例如，底重的浮游生物倾向于向上对齐。这在静流中对于向上迁移是高效的，但常对湍流敏感，后者会破坏其对齐。在此我们提出一种简单、稳健的主动陀螺稳定机制，其仅受湍流轻微影响，并允许沿重力及逆重力对齐。我们采用一个以恒定速度游动、并能在湍流流场模拟中主动根据流体动力学信号转向的浮游生物模型。利用强化学习，我们确定了最优转向策略。通过利用其刚毛感知垂直于游动方向的沉降速度，该游动生物可推断重力方向信息，从而主动向上对齐。该机制在湍流中产生的向上迁移速率与静流中同量级，除非湍流非常剧烈。相比之下，具有桡足类典型参数的被动游动生物在湍流中表现出小得多的向上速度。沉降甚至可能导致它们在剧烈湍流中向下迁移。
引用
@article{arxiv.2105.12232,
title = {Active gyrotactic stability of microswimmers using hydromechanical signals},
author = {Jingran Qiu and Navid Mousavi and Lihao Zhao and Kristian Gustavsson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2105.12232},
year = {2021}
}