[논문 리뷰] Fluid inertia is an effective gyrotactic mechanism for settling elongated micro-swimmers

Jingran Qiu, Zhiwen Cui외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 20.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유체 관성력을 새로운 기울기성 기작으로 규명하여, 플랑크톤과 같은 길쭉한 미세 수영 생물이 침강할 때 위쪽 방향을 안정화시키는 메커니즘을 제시한다. 수영 속도가 침강 속도를 초과할 경우, 유체 관성이 회전을 유도하여 수영 생물을 중력과 반대 방향으로 정렬시키며, 난류 흐름에서의 상향 이동을 강화한다. 이와 관련하여 수영 방향과 속도 성분 사이에 거듭제곱 법칙 관계가 관찰되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 길쭉한 미세 수영 생물에서 유체 관성이 기울기성에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 유체 관성이 정적인 및 난류 흐름에서 침강하는 수영 생물의 정렬 및 군집에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 유체 관성이 난류 조건에서 플랑크톤 체인의 상향 이동을 강화하는지 탐구하는 것.
• 난류 환경에서 수영 방향과 수영/침강 속도 성분 간의 관계를 정량화하는 것.

제안 방법

• 유체 흐름에서 길쭉한 미세 수영 생물의 운동 및 정렬을 모델링하기 위해 직접 수치 시뮬레이션을 사용하였다.
• 유체 관성 효과를 반영하기 위해 나비에-스토크스 방정식과 수영 생물 역학을 결합하여 해석하였다.
• 기울기성 정렬 정도를 평가하기 위해 중력 및 국소 유체 속도에 대한 수영 생물의 정렬을 추적하였다.
• 정적 및 난류 흐름 필드에서 정렬 및 공간 군집의 통계 분석을 수행하였다.
• 수영 방향의 평균값과 수영 속도 대 침강 속도 비율 사이의 거듭제곱 법칙 스케일링을 유도하였다.
• 관성 및 비관성 케이스를 비교하여 유체 관성이 플랑크톤 체인의 기울기성 기작에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체 관성이 침강하는 길쭉한 미세 수영 생물의 정렬에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 수영 속도가 침강 속도를 초과할 경우, 유체 관성이 기울기성 기작을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 유체 관성이 난류 흐름에서 공간 군집 및 선호 정렬에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 난류에서 수영 방향과 수영/침강 속도 간의 기능적 관계는 무엇인가?
• RQ5 유체 관성이 플랑크톤 체인의 상향 이동을 어느 정도 강화하는가?

주요 결과

• 유체 관성이 수영 속도가 침강 속도를 초과할 경우, 길쭉한 미세 수영 생물을 중력과 반대 방향으로 정렬시키는 기울기성 기작을 유도한다.
• 난류 흐름에서 수영 방향의 평균값과 수영 속도 대 침강 속도 비율 사이에 거듭제곱 법칙 관계가 관찰되었다.
• 유체 관성이 위쪽 방향으로의 선호 정렬을 강화하여 해양 상층부의 상향 이동을 더욱 강화한다.
• 침강 속도가 수영 속도보다 훨씬 작을 때조차도 관성 효과가 정렬 역학에 상당한 영향을 미친다.
• 유체 관성에 의해 유도되는 정렬로 인해 난류 흐름에서 수영 생물의 공간 군집이 강화된다.
• 이 기작은 특히 플랑크톤 체인에서 효과적이며, 유체 관성이 상향 이동 효율을 증폭시킨다.