[論文レビュー] Synchronised Swimming of Two Fish

Guido Novati, Siddhartha Verma+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2016

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 41被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、粘性で非圧縮性流れの2次元シミュレーションを用いて、2匹の魚が連続して泳ぐ際の流体力学的相互作用を調査する。強化学習を用いてリーダーの流れの尾根に同期するフォロワーが、最大30％のエネルギー消費削減と20％の泳ぎの効率向上を達成することを示し、渦の利用による協調泳ぎの顕著なエネルギー的利点を明らかにする。

ABSTRACT

We study the fluid dynamics of two fish-like bodies with synchronised swimming patterns. Our studies are based on two-dimensional simulations of viscous incompressible flows. We distinguish between motion patterns that are externally imposed on the swimmers and self-propelled swimmers that learn manoeuvres to achieve certain goals. Simulations of two rigid bodies executing pre-specified motion indicate that flow-mediated interactions can lead to substantial drag reduction and may even generate thrust intermittently. In turn we examine two self-propelled swimmers arranged in a leader-follower configuration, with a-priori specified body-deformations. We find that the swimming of the leader remains largely unaffected, while the follower experiences either an increase or decrease in swimming speed, depending on the initial conditions. Finally, we consider a follower that synchronises its motion so as to minimise its lateral deviations from the leader's path. The leader employs a steady gait while the follower uses a reinforcement learning algorithm to adapt its swimming-kinematics. We find that swimming in a synchronised tandem can yield up to about 30% reduction in energy expenditure for the follower, in addition to a 20% increase in its swimming-efficiency. The present results indicate that synchronised swimming of two fish can be energetically beneficial.

研究の動機と目的

• 2匹の魚が連続配置で泳ぐ際の流体力学的利点を調査すること。
• 泳ぎ手同士の流れに起因する相互作用がエネルギー消費を削減し、泳ぎの効率を向上させることを検証すること。
• 自己駆動型泳ぎ手が強化学習を用いて、リーダーの流れの尾根にとどまるために運動を動的に適応させる方法を調査すること。
• 特にリーダー・フォロワー構成におけるフォロワーのエネルギー的利点を定量化すること。
• 粘性流体における渦の相互作用が、抵抗低減と推進力増強にどのように寄与するかのメカニズムを特定すること。

提案手法

• リメッシュド・ヴォルテックス法を用いたウェーブレット適応グリッド上で、速度・渦度形式の2次元非圧縮性ナビエ＝ストークス方程式を解く。
• 発散なしペナルティ法により、魚に類似した体表面におけるスリップ禁止境界条件を強制する。
• リーダーは一定の事前指定された歩様で泳ぎ、フォロワーはリーダーの経路からの横方向ずれを最小化するための強化学習ポリシーを用いる。
• 強化学習エージェントは、横方向ずれの最小化に基づく長期的報酬を最大化するように訓練され、行動を調整して泳ぎの運動学的特性を最適化する。
• エネルギー消費は輸送コスト（CoT）を用いて測定され、泳ぎの効率は推進関連パワーと変形パワーの成分を用いて評価される。
• 3つのシナリオを分析する：事前に指定された運動をとる剛体泳ぎ手、同一運動学的特性を持つ自己駆動型泳ぎ手、強化学習による適応制御を用いるフォロワー。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダー・フォロワー構成における2匹の魚の間の流れに起因する相互作用が、測定可能な抵抗低減とエネルギー節約をもたらすか？
• RQ2 アクティブ制御が適用されない場合、初期条件や流れの尾根のダイナミクスに応じてフォロワーの泳ぎの性能はどのように変化するか？
• RQ3 フォロワーがリーダーの流れの尾根にとどまるために運動を動的に適応させることで、エネルギー消費をどの程度削減できるか？
• RQ4 同期した連続配置でのフォロワーの泳ぎの効率向上に、渦の相互作用が果たす役割は何か？
• RQ5 強化学習により、フォロワーが自律的かつ安定的かつエネルギー効率の良い泳ぎをリーダーの流れの尾根で達成できるか？

主な発見

• 相対的輸送コスト（CoT）を用いた測定により、フォロワーは単独で泳ぐ場合に比べ、単位距離あたり29.3％のエネルギー消費削減を達成する。
• フォロワーが横方向ずれを最小化するための強化学習を用いることで、泳ぎの効率が19.4％向上し、体の変形に要するパワー（PDef）が36.6％削減された。
• 推進関連パワー（Pthrust）はほぼ変化せず（−1.2％の変動）、エネルギー節約は主に筋肉的負荷の低減によるものであり、推進力の増加によるものではない。
• アクティブ制御がなければ、フォロワーの運動はリーダーの経路から逸脱するため、安定した連続泳ぎを維持するための適応戦略の必要性が浮き彫りになる。
• 補正行動による一時的な非効率が生じても、フォロワーは40時間周期にわたり単独泳ぎの平均効率を上回り続ける。
• 結果は、連続配置での同期泳ぎが、リーダーの流れの渦を活用することで顕著なエネルギー的利点をもたらす可能性を裏付けている。