鞭毛形态对微游泳体游泳性能和方向控制的影响

在流体环境中，带鞭毛的微游泳体通过旋转其鞭毛来推进自身。这些鞭毛的形态显著影响前进速度、游泳效率和方向稳定性，这些对其生存至关重要。本研究首先模拟微游泳体的三维运动轨迹，以分析其运动学特征。模拟结果表明，微游泳体可以通过改变其鞭毛的朝向主动调整前进方向。随后，我们进行数值模拟，以可视化微游泳体产生的流场，并研究细胞体与鞭毛之间的水动力相互作用，重点关注它们对前进速度和游泳效率的影响。我们得出结论：前进速度和游泳效率与鞭毛的丝半径、螺距角和轮廓长度密切相关，而运动的偏航角则由鞭毛的螺旋半径和轮廓长度决定。我们还得出结论：最大前进速度对应的螺距角略小于最大游泳效率对应的螺距角，这表明微游泳体可以通过微调其螺距角并适应不同的生态条件，在最大前进速度和最大游泳效率状态之间有效切换。微游泳体的这些形态特征可能是物种竞争和自然选择的结果。本研究为微游泳体建立了优化模型，为设计针对特定应用定制的微型机器人提供了有价值的见解。