仿生微型游泳机器人的流体动力学代理模型

由于在无创医疗手术中的潜在影响，关于无缆微型游泳机器人的研究正在迅速发展。候选的机器人推进机制基于微生物的鞭毛机制，例如旋转刚性螺旋和在柔性杆上传播的平面波，并以波长、振幅和频率为参数。为了设计和控制游泳机器人，需要精确的实时模型来计算轨迹、速度以及作用在机器人上的流体动力。阻力理论 (Resistive force theory, RFT) 为开发用于设计优化和控制的实时六自由度代理模型提供了极好的框架。然而，基于 RFT 的模型的准确性强烈依赖于流体动力相互作用。在此，我们引入了相互作用系数，该系数仅与身体阻力系数相乘，而不修改尾部局部阻力系数。相互作用系数是根据文献中报道的单株 Vibrio Algino 获得的，并用于 RFT 模型中，以比较 resultant 速度的前向游泳分量和身体旋转速率与其他样本的对比。此外，利用计算流体动力学 (CFD) 模拟获得了具有螺旋尾和行波平面波的仿生游泳机器人在一系列振幅和波长下的前向和横向速度以及身体旋转速率。从具有指定振幅和波长的螺旋尾的 CFD 模拟中获得相互作用系数，并将其用于 RFT 模型中，以比较其他设计的速度和身体旋转速率。比较表明，采用相互作用系数的流体动力学模型被证明是计算密集型的三维瞬态 CFD 模型的可行代理。