[论文解读] Fluid inertia is an effective gyrotactic mechanism for settling elongated micro-swimmers

Jingran Qiu, Zhiwen Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文識別出流體慣性作為一種新型的渦旋定向機制，可穩定沉降的長形微游泳生物（如浮游生物）的向上取向。當游泳速度超過沉降速度時，流體慣性會引發旋轉，使游泳生物與重力方向相反，進而增強湍流中向上遷徙的效率，並在游泳方向與速度分量之間觀察到幂律關係。

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.

研究动机与目标

• 探討流體慣性在長形微游泳生物渦旋定向中的作用。
• 確定流體慣性如何影響靜止與湍流流場中沉降游泳生物的取向與聚集。
• 探討流體慣性是否在湍流條件下增強鏈狀浮游生物的向上遷徙。
• 量化湍流環境中游泳方向與游泳/沉降速度分量之間的關係。

提出的方法

• 使用直接數值模擬來模擬流體中長形微游泳生物的運動與取向。
• 透過求解與游泳生物動力學耦合的納維-斯托克斯方程，考慮流體慣性效應。
• 相對於重力與局部流體速度追蹤游泳生物的取向，以評估渦旋定向程度。
• 在靜止與湍流流場中，對取向與空間聚集進行統計分析。
• 推導出平均游泳方向與游泳速度對比沉降速度之比之間的幂律關係。
• 透過比較有慣性與無慣性情形，評估流體慣性對鏈狀浮游生物渦旋定向的影響。

实验结果

研究问题

• RQ1 流體慣性如何影響沉降長形微游泳生物的取向？
• RQ2 當游泳速度超過沉降速度時，流體慣性在促成渦旋定向中扮演何種角色？
• RQ3 流體慣性如何影響湍流中空間聚集與偏好取向？
• RQ4 在湍流中，游泳方向與游泳/沉降速度之間的函數關係為何？
• RQ5 流體慣性在多大程度上增強了鏈狀浮游生物的向上遷徙？

主要发现

• 流體慣性引發一種渦旋定向機制，當游泳速度超過沉降速度時，使長形微游泳生物與重力方向相反取向。
• 在湍流中，觀察到平均游泳方向與游泳速度對比沉降速度之比之間存在幂律關係。
• 流體慣性增強了向上方向的偏好取向，進而強化海洋表層的向上遷徙。
• 即使沉降速度遠小於游泳速度，慣性效應仍顯著影響取向動態。
• 由於流體慣性驅動的對齊，游泳生物在湍流中空間聚集現象更為顯著。
• 該機制在浮游生物鏈中尤其有效，能顯著提升向上遷徙的效率。