受约束变形与作动区间的最优不规则游动
生物物理
2025-11-04 v1 软凝聚态物质
摘要
在自然界，许多单细胞生物体通过振动鳍状物实现游动，其中局部能量输入导致合作性的不规则游动运动。本文采用强化学习方法，研究以离散化的珠子-弹簧-丝 filament 模型的微型游动器，后扭矩受局部约束。我们表明，主动施加的扭矩与固有的弯曲刚度之间的竞争导致各种最优振动模式，具有不同的频率、振幅和波长。有趣的是，最优解取决于作动区间，即微型游动器基于其内部状态快速改变施加扭矩的时间尺度。我们指出，优化后的刚度和作动区间相关的振动通过施加扭矩的bang-bang解实现，其具有不同的最优时间周期性和连续关节之间的相位移差。我们通过系统研究施加扭矩的可能的bang-bang波解模式，对此进行了详细分析。我们的工作不仅阐明了生物学微型游动器如何在内部和局部约束下产生高效振动模式，也为潜在的人造弹性微型游动器提供了作动策略。
引用
@article{arxiv.2511.00816,
title = {Optimal Undulatory Swimming with Constrained Deformation and Actuation Intervals},
author = {Fumiya Tokoro and Hideki Takayama and Shinji Deguchi and Andreas Zöttl and Daiki Matsunaga},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.00816},
year = {2025}
}