[논문 리뷰] The swimming of a deforming helix

Lyndon Koens, Hang Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 69인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 저레이놀즈 수에서 점성 유체 속에서 나선형 미크로스위머가 나선 반경, 피치, 파장의 비상호적 변형을 통해 순운동을 어떻게 달성할 수 있는지 조사한다. 미세체역학을 사용하여 저자들은 이러한 변형이 비대칭 저항력을 생성함으로써 구성공간의 변형 경로에 따라 매우 민감하게 변화하는 방향성 수영을 가능하게 함을 보여준다. 이는 일정한 유체 내에서도 발생하며, 운동 방향과 효율성이 구성공간 내 변형 경로에 크게 의존한다.

ABSTRACT

Abstract.: Many microorganisms and artificial microswimmers use helical appendages in order to generate locomotion. Though often rotated so as to produce thrust, some species of bacteria such Spiroplasma, Rhodobacter sphaeroides and Spirochetes induce movement by deforming a helical-shaped body. Recently, artificial devices have been created which also generate motion by deforming their helical body in a non-reciprocal way (A. Mourran et al. Adv. Mater. 29, 1604825, 2017). Inspired by these systems, we investigate the transport of a deforming helix within a viscous fluid. Specifically, we consider a swimmer that maintains a helical centreline and a single handedness while changing its helix radius, pitch and wavelength uniformly across the body. We first discuss how a deforming helix can create a non-reciprocal translational and rotational swimming stroke and identify its principle direction of motion. We then determine the leading-order physics for helices with small helix radius before considering the general behaviour for different configuration parameters and how these swimmers can be optimised. Finally, we explore how the presence of walls, gravity, and defects in the centreline allow the helical device to break symmetries, increase its speed, and generate transport in directions not available to helices in bulk fluids. Graphical abstract:

연구 동기 및 목표

• 저레이놀즈 수에서 변형하는 나선에서 수영을 가능하게 하는 유체역학적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 나선 반경, 피치, 파장을 변화시키는 비상호적 형태 변화가 순운동과 회전을 어떻게 생성하는지 규명하기 위해.
• 작은 나선 반경에 대해 주요 수영 역학을 규명하고 최적의 변형 주기(사이클)를 유도하기 위해.
• 벽, 중력, 형태 결함과 같은 대칭성 파괴 요소가 기존에 접근할 수 없었던 방향으로 운동을 가능하게 하는 방식을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 비틀림 없는 나선체가 시간에 따라 변형되는 동안 점성 저항을 모델링하기 위해 미세체역학을 사용한다.
• 유체역학적 힘과 토크를 계산하기 위해 정규화된 스토크스렛 방법을 적용한다.
• 작은 나선 반경의 극한에서 점근적 분석을 통해 주요 수영 속도와 회전 속도를 유도한다.
• 순운동의 의존성을 구성공간 내 경로(반경, 피치, 파장 변화)에 따라 분석한다.
• 벽, 중력, 나선 중심선의 局부 결함과 같은 대칭성 파괴 요소에 의한 영향을 고려한다.
• 수치 시뮬레이션과 해석 계산을 수행하여 최적의 변형 주기와 방향 제어 전략을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상호적 방식으로 변형하는 나선체가 점성 유체 내에서 순운동 및 회전 운동을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ2 작은 반경을 가진 미세체 나선체가 시간 주기적 변형을 겪을 때 주요 수영 거동은 어떠한가?
• RQ3 구성공간 내 경로(반경, 피치, 파장 변화)가 순운동의 방향과 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 벽, 중력, 또는 형태 결함은 변형하는 나선체의 대칭성을 어떻게 파괴하여 새로운 방향으로 운동을 가능하게 하는가?
• RQ5 주어진 나선 기하구조에서 수영 속도를 최대화하는 최적의 변형 주기는 무엇인가?

주요 결과

• 비상호적 형태 변화를 통해 무한한 유체 내에서 순운동과 회전을 생성할 수 있으며, 운동 방향은 구성공간 내 변형 경로에 의해 결정된다.
• 작은 나선 반경 근처에서 주요 수영 속도는 반경, 피치, 파장 변화의 순서에 매우 민감하며, 상호적 사이클에서는 순운동이 발생할 수 없다.
• 수영 속도를 최대화하는 최적의 변형 주기가 존재하며, 이는 세 변형 매개변수 간 특정 위상 관계를 가진다.
• 벽의 존재는 수영 속도를 향상시키며, 기존에 접근할 수 없었던 방향으로의 운동을 가능하게 한다. 이는 유체역학적 상호작용 때문이기 때문이다.
• 중력과 나선 중심선의 국부적 결함은 대칭성을 깨뜨려 수영체가 나선축에 수직인 방향으로도 운동을 생성할 수 있도록 한다.
• 모델은 순수 수영 속도가 작은 반경 근처에서 나선 반경의 제곱에 비례함을 예측하며, 이는 미세체이론과 일치한다.