具有翻滚行为的细菌启发双鞭毛机制的建模、表征与控制

多鞭毛细菌利用称为鞭毛的丝状尾之间的流体动力学相互作用，在低雷诺数流中游泳并改变其游动方向。这种被称为束集与翻滚的相互作用，在阻力理论（RFT）等简化流体动力学模型中常被忽视。然而，对于开发受细菌启发的高效且可转向的机器人，利用这种相互作用至关重要。在本文中，我们构建了一个宏观仿生机器人，其具有两根排列为右手螺旋的刚性鞭毛以及一个圆柱形头部。通过反向旋转鞭毛，机器人本体可通过可重复且可控的翻滚实现重新定向。为了在低雷诺数流中准确建模该双鞭毛机制，我们采用刚体动力学与正则化斯托克斯子段法（RSS）的耦合。与RFT不同，RSS考虑了远距离丝状结构之间的流体动力学相互作用。此外，我们深入探索参数空间以优化系统的推进力与扭矩。为实现机器人所需的重新定向，我们提出了一种翻滚控制方案，涉及调制两根鞭毛的旋转方向与速度。通过实施该方案，机器人可有效重新定向以达到期望姿态。值得注意的是，由于仅需两个控制输入，整体方案具有简化的设计与控制。以我们的宏观框架为基础，我们设想最终将该技术微型化，以构建可移动且可控的微型细菌机器人。