[논문 리뷰] Synchronised Swimming of Two Fish

Guido Novati, Siddhartha Verma외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 13.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 41인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 점성 및 비압축성 유동의 2차원 시뮬레이션을 사용하여 두 마리 물고기의 뒤따라 수영하는 동안의 유체역학적 상호작용을 조사한다. 강화학습을 통해 리더의 유체장과 동기화하는 후속 물고기가 최대 30% 낮은 에너지 소비와 20% 높은 수영 효율을 달성함을 보여주며, 소용돌이를 이용한 협동 수영이 상당한 에너지적 이점을 가져옴을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 두 물고기의 뒤따라 수영하는 구성에서의 유체역학적 이점 조사.
• 수영자 간의 유동 매개 상호작용이 에너지 소비를 줄이고 수영 효율을 향상시킬 수 있는지 검토.
• 자기 추진 수영자들이 강화학습을 통해 리더의 유체장 안에 머무르기 위해 운동을 동적으로 적응시키는 방식 탐색.
• 특히 리더-후속자 구조에서 후속자의 동기화 수영에 따른 에너지적 이점 정량화.
• 점성 유동에서 소용돌이 상호작용을 통한 저항 감소 및 추진력 증가 메커니즘 규명.

제안 방법

• 유속-소용돌이 형태의 2차원 비압축성 스무스-나비에 방정식을 웨이브렛 적응 격자에서 리메시드 소용돌이 방법으로 해석.
• 산란이 없는 페널티 기법을 통해 물고기 모양의 표면에 고정벽 조건을 강제.
• 리더는 일정하고 사전 설정된 자세로 수영하며, 후속자는 후속자의 경로에서 횡방향 이탈을 최소화하기 위해 강화학습 정책을 사용.
• 강화학습 에이전트는 횡방향 이격을 최소화하는 데 기반한 장기 보상 최대화를 목표로 하며, 운동역학 최적화를 위해 행동을 조정.
• 에너지 소비는 운반비용(CoT)으로 측정되며, 수영 효율은 추진력 관련 및 변형 에너지 성분을 기반으로 평가.
• 세 가지 시나리오 분석: 사전 설정된 운동을 가진 강체 수영자, 동일한 운동역학을 가진 자기 추진 수영자, 그리고 강화학습을 통한 적응 제어를 사용하는 후속자.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더-후속자 구성에서 두 물고기 간의 유동 매개 상호작용이 측정 가능한 저항 감소와 에너지 절감을 초래할 수 있는가?
• RQ2 활동적 제어가 적용되지 않은 경우, 초기 조건과 유체장 역학에 따라 후속자의 수영 성능은 어떻게 변하는가?
• RQ3 후속자가 리더의 유체장 안에 머무르기 위해 운동을 동적으로 적응시킬 경우, 에너지 소비는 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 후속자가 동기화된 뒤따라 수영하는 형상에서 소용돌이 상호작용이 수영 효율을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 강화학습이 후속자가 리더의 유체장에서 자율적으로 안정적이고 에너지 효율적인 수영을 달성하도록 가능하게 하는가?

주요 결과

• 후속자는 고립된 수영자와 비교해 단위 거리당 에너지 소비를 29.3% 감소시켰으며, 이는 상대적 운반비용(CoT)으로 측정되었다.
• 후속자가 횡방향 이탈을 최소화하기 위해 강화학습을 사용할 경우, 수영 효율이 19.4% 향상되었으며, 이는 신체 변형에 소비되는 에너지(PDef)가 36.6% 감소한 데 기인한다.
• 추진력 관련 에너지(Pthrust)는 거의 변화가 없었으며(−1.2% 변동), 에너지 절감은 주로 근육적 노력 감소에서 기인함을 시사한다.
• 활동적 제어 없이 후속자의 운동은 리더의 경로에서 벗어나므로, 안정적인 뒤따라 수영을 유지하기 위해 적응 전략이 필요함을 시사한다.
• 수정 조치로 인한 일시적 비효율성에도 불구하고, 후속자는 40개의 주기 동안 고립된 수영자보다 높은 평균 효율을 유지한다.
• 결과적으로, 뒤따라 수영하는 형상에서 리더의 유체장 소용돌이를 이용한 동기화 수영이 상당한 에너지적 이점을 가져올 수 있음을 확인한다.