多孔介质中三球微机器人的推进

微生物和合成微泳者经常遇到由嵌入粘性流体中的障碍物网络组成的复杂环境。此类环境包括生物介质（如具有丝状网络的粘液）以及环境场景（如潮湿土壤和含水层）。研究其运动的一个基本问题是，与纯粘性流体中的情况相比，这些多孔介质的不可渗透性如何影响其推进性能。先前的研究表明，由于嵌入障碍物产生的额外阻力，不同类型的泳者（包括波动泳者、螺旋泳者和挤压泳者）的推进能力得到增强。在本工作中，我们采用经典的三球泳者模型来探测多孔介质中推进的影响。利用 Brinkman 方程对嵌入不可压缩牛顿液体中的稀疏静止障碍物网络进行建模。我们提出了远场理论和数值模拟，以表征泳者在此类多孔介质中的推进性能。与其他泳者模型中观察到的推进增强相反，我们的结果表明，三球泳者的推进速度和效率均因多孔介质的不可渗透性而大幅降低。我们将推进性能的大幅下降归因于 Brinkman 介质中流动更快的空间衰减导致球体之间的流体动力相互作用被屏蔽。这些结果强调了多孔介质中的推进是增强还是受阻很大程度上取决于个体的推进机制。此处提供的具体实例和物理见解可指导设计用于在潜在生物和环境应用中于多孔介质内有效运动的合成微泳者。