[論文レビュー] Fluid inertia is an effective gyrotactic mechanism for settling elongated micro-swimmers

Jingran Qiu, Zhiwen Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、流体の慣性が、プランクトンなどの延長型微小遊泳生物の上向き姿勢を安定化させる新しい巻き込み運動のメカニズムとして同定している。泳ぎの速度が沈降速度を上回る場合、流体の慣性が回転を引き起こし、遊泳生物を重力とは逆向きに整列させ、乱流中の上向き移動を促進する。泳ぎの方向と速度成分の間にべき乗則の関係が観察された。

ABSTRACT

Gyrotaxis, which helps swimming marine plankton to stabilize upward orientation, is essential for their vertical migration through the water column. There are three classical mechanisms for gyrotaxis: bottom-heaviness, fore-aft asymmetry of plankton shape, and active movement by using a gravity receptor. Here, we discover a gyrotactic mechanism arising from the effect of fluid inertia for settling elongated micro-swimmers. Fluid inertia influences swimmers' rotation when they swim relative to the local fluid with a velocity that is comparable to the local fluid velocity scale. When swimming velocity is greater than the settling speed, swimmers tend to swim in the direction opposite to gravity. Our results reveal the importance of fluid inertia on settling micro-swimmers, and also indicate that settling effect is nontrivial even if a swimmer swims much faster than it settles. By direct numerical simulations, we examine the statistics of the orientation and spatial clustering of cells in both quiescent and turbulent flows. A power law between the mean swimming direction and the swimming and settling velocities is observed in turbulence. We also demonstrate how fluid inertia enhances the gyrotaxis of plankton chains. Enhanced preferential orientation in the opposite direction to gravity reinforce the upward migration to the turbulent upper layer of the ocean.

研究の動機と目的

• 延長型微小遊泳生物における流体の慣性の役割を調査すること。
• 流体の慣性が静止状態および乱流状態の沈降遊泳生物の姿勢と凝集体形成に与える影響を特定すること。
• 乱流条件下におけるプランクトン鎖において、流体の慣性が上向き移動をどのように強化するかを調査すること。
• 乱流環境における泳ぎの方向と速度成分の関係を定量すること。

提案手法

• 直接数値シミュレーションを用いて、流体中での延長型微小遊泳生物の運動と姿勢をモデル化した。
• ナビエ＝ストークス方程式を泳ぎの運動と結合させることで、流体の慣性効果を考慮した。
• 遊泳生物の姿勢を重力および局所的な流体速度に対して追跡し、巻き込み運動の整列度を評価した。
• 静止状態および乱流状態の両方の流れ場において、姿勢と空間的凝集体の統計的分析を実施した。
• 泳ぎの速度と沈降速度の比と平均泳ぎの方向との間にべき乗則のスケーリング関係を導出した。
• 非慣性系と慣性系の比較により、流体の慣性がプランクトン鎖の巻き込み運動に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体の慣性は、沈降する延長型微小遊泳生物の姿勢にどのように影響するか？
• RQ2 泳ぎの速度が沈降速度を上回る状況で、流体の慣性が巻き込み運動をどのように可能にするか？
• RQ3 流体の慣性は、乱流状態における空間的凝集体形成と好ましい姿勢にどのように影響するか？
• RQ4 乱流環境における泳ぎの方向と泳ぎ/沈降速度比との間の関数的関係は何か？
• RQ5 流体の慣性は、プランクトン鎖の上向き移動をどの程度強化するか？

主な発見

• 流体の慣性が、泳ぎの速度が沈降速度を上回る場合に、重力とは逆向きに延長型微小遊泳生物を整列させる巻き込み運動のメカニズムを誘発する。
• 乱流状態において、平均泳ぎの方向と泳ぎ速度と沈降速度の比との間にべき乗則の関係が観察された。
• 流体の慣性が上向き方向への好ましい整列を強化し、海洋の上層部における上向き移動を強化する。
• 沈降速度が泳ぎの速度に比べて著しく小さい場合でさえ、慣性効果が姿勢のダイナミクスに顕著な影響を与える。
• 流体の慣性に起因する整列のため、乱流状態では遊泳生物の空間的凝集体が強化される。
• このメカニズムは、流体の慣性が上向き移動効率を増幅させるため、特にプランクトン鎖において顕著に効果的である。