基于力学的鞭毛机器人分析

我们探究了由细长杆的弹性变形引起的软体机器人在颗粒介质(GM)中的运动。提出了一种受细菌生理结构启发、低成本且可快速制造的机器人。它由一个嵌入电机和电池的刚性头部以及多根弹性杆(我们用于模拟鞭毛)组成,以研究在颗粒介质中的运动。弹性鞭毛的一端由电机旋转,并因颗粒介质的阻力而变形,从而推动机器人前进。外部阻力由鞭毛形状决定,而鞭毛形状又因外部载荷与弹性力之间的竞争而改变。在这一流固耦合问题中,我们观察到增加鞭毛数量可能减小或增大机器人的推进速度,取决于系统的物理参数。这种简单机器人推进性能与参数之间函数关系的非线性促使我们利用理论、数值模拟与实验对其力学进行基础性分析。我们提出了一个基于简单欧拉-伯努利梁理论的解析框架,能够定性捕捉上述两种情况。当鞭毛变形较小时,理论预测与实验定量吻合。为考虑软体机器人与微生物中常见的几何非线性变形,我们实现了一个模拟框架,该框架结合了基于离散微分几何的弹性杆模拟、基于阻力理论的阻力模型,以及用于机器人头部流体动力学的修正斯托克斯定律。与实验数据的对比表明,该模拟可定量预测机器人运动。总体而言,本文提出的理论与数值工具可为这类关节机器人在颗粒或流体介质中的设计与控制提供启示。