[論文レビュー] Two-dimensionally stable self-organization arises in simple schooling swimmers through hydrodynamic interactions

Pedro C. Ormonde, Melike Kurt+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2021

Micro and Nano Robotics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、単純な水泳翼の間の水力学的相互作用のみによって、二次元的に安定した群れの形成が受動的に生じることを示している。側面配置では尾縁渦機構によって超安定平衡状態を示し、外部からの摂動に対しても安定を保つ。この群れは、最大84%の集団的効率向上と、わずかにずれた配置では87%の推力増加を達成しており、魚の群れ構造が従来考えられていた以上に水力学的力によって支配されている可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present new constrained and free-swimming experiments and simulations of a pair of pitching hydrofoils interacting in a minimal school. The hydrofoils have an out-of-phase synchronization and they are varied through in-line, staggered, and side-by-side formations within the two-dimensional interaction plane. It is discovered that there is a extit{two-dimensionally} stable equilibrium point for a side-by-side formation. In fact, this formation is super-stable, meaning that hydrodynamic forces will passively maintain this formation even under external perturbations and the school as a whole has no net forces acting on it that cause it to drift to one side or the other. Moreover, previously discovered extit{one-dimensionally} stable equilibria driven by wake vortex interactions are shown to be, in fact, two-dimensionally extit{unstable}, at least for an out-of-phase synchronization. Additionally, it is discovered that a trailing-edge vortex mechanism provides the restorative force to stabilize a side-by-side formation. The stable equilibrium is further verified by experiments and simulations for freely-swimming foils where dynamic recoil motions are present. When constrained, swimmers in compact side-by-side formations experience collective efficiency and thrust increases up to 40\% and 100\%, respectively, whereas slightly staggered formations output an even higher efficiency improvement of 84\% with a 87\% increase in thrust. Freely-swimming foils in a stable side-by-side formation show an efficiency and speed enhancement of up to 9\% and 15\%, respectively. These newfound schooling performance and stability characteristics suggest that fluid-mediated equilibria may play a role in the control strategies of schooling fish and fish-inspired robots.

研究の動機と目的

• 単純な泳ぎ手において、水力学的相互作用のみで二次元的に安定した群れの形成が可能かどうかを調査すること。
• 横方向の摂動を考慮した場合、既知の一次元平衡状態の安定性を特定すること。
• 安定な側面配置の形成を維持する回復力の物理的メカニズムを同定すること。
• さまざまな水力学的配置における集団的効率および推力の向上を定量的に評価すること。
• 制約付きおよび自由泳ぎの実験的・シミュレーテッド条件下での側面配置の安定性および性能を検証すること。

提案手法

• 2次元流れ平面内で、位相が反転（φ = π）の正弦波的ピッチングを示すNACA 0012水翼を用いた制約付き翼実験を実施した。
• 流れの可視化と力の測定を用いて、直列、ずれあり、および側面配置の各状態における尾渦のダイナミクスと水力学的相互作用を分析した。
• 数値シミュレーションでは、非定常的かつ自己推進的な水翼を、所定のピッチ運動を伴ってモデル化するため、ポテンシャル流れ理論に基づく2次元境界要素法（BEM）を用いた。
• 推力と抗力をバランスさせるために、ライトヒル数（Li = C_D * S_wp）を用い、自由泳ぎシミュレーションの数値的安定性を確保するためLi = 0.3を選択した。
• 流れの状態と性能を特徴付けるために、レイノルズ数（Re）、ストローイル数（St）、および無次元周波数（k）といった無次元パラメータを用いた。
• 実際の加速度質量（m* = 2.76および1.74、それぞれ流れ方向および横方向）を割り当てることで、シミュレーションに動的反動運動を組み込み、現実的な自由泳ぎ挙動を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水力学的相互作用のみで、二次元的に安定した群れの形成が生じ得るか、アクティブな制御なしに？
• RQ2 以前に報告された一次元的に安定な直列配置は、位相が反転している場合、横方向に対しても安定であるのか？
• RQ3 安定な側面配置を維持する回復力の水力学的メカニズムは何か？
• RQ4 効率や推力といった性能指標は、さまざまな水翼配置（直列、ずれあり、側面）でどのように変化するか？
• RQ5 自由泳ぎの水翼における動的反動運動は、群れの安定性および性能にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 2つの水翼が側面配置をとる場合、外部摂動に対しても、水力学的力が受動的に配置を維持する二次元的超安定平衡状態を示す。
• 以前に報告された一次元的に安定な直列配置は、位相が反転している場合、横方向に不安定であることが判明し、それまでのその堅牢性に関する仮定に疑問を呈する。
• 尾縁渦機構が横方向のずれを補正する回復力を生成し、側面配置の安定化を実現する。
• 制約付き条件下では、わずかにずれた配置が、孤立した泳ぎ手と比較して最大84%の効率向上と87%の推力向上を達成した。
• 自由泳ぎの側面配置水翼では、集団的水力学的利点のおかげで、泳ぎの効率が最大9%向上し、速度が15%増加した。
• 本研究では、流体を介した平衡状態、特に渦のダイナミクスを通じて、群れをなす泳ぎ手の自己組織化と性能向上に中心的な役割を果たす可能性があることが確認された。