Microswimmers can acquire information on the surrounding fluid by sensing mechanical queues. They can then navigate in response to these signals. We analyse this navigation by combining deep reinforcement learning with direct numerical simulations to resolve the hydrodynamics. We study how local and non-local information can be used to train a swimmer to achieve particular swimming tasks in a non-uniform flow field, in particular a zig-zag shear flow. The swimming tasks are (1) learning how to swim in the vorticity direction, (2) the shear-gradient direction, and (3) the shear flow direction. We find that access to lab frame information on the swimmer's instantaneous orientation is all that is required in order to reach the optimal policy for (1,2). However, information on both the translational and rotational velocities seem to be required to achieve (3). Inspired by biological microorganisms we also consider the case where the swimmers sense local information, i.e. surface hydrodynamic forces, together with a signal direction. This might correspond to gravity or, for micro-organisms with light sensors, a light source. In this case, we show that the swimmer can reach a comparable level of performance as a swimmer with access to lab frame variables. We also analyse the role of different swimming modes, i.e. pusher, puller, and neutral swimmers.


翻译:微微闪光分子可以通过感测机械队列获得周围流体的信息。 然后他们可以对这些信号进行导航。 我们通过将深强化学习与直接数字模拟结合起来,分析这种导航,以解决流体动力学问题。 我们研究如何利用当地和非当地的信息来训练游泳员,在非统一流体流场中完成特定的游泳任务,特别是zig-zag剪切机流。 游泳的任务是(1) 学习如何在园艺方向游泳,(2) 剪裁方向和(3) 剪剪流方向。 我们发现,获得关于游泳员瞬时方向的实验室框架信息,是达到最佳政策(1, 2) 所需要的。 然而, 似乎需要关于翻译和旋转速度的信息来达到(3) 。 我们还在生物微生物的启发下, 游泳员会感知到本地信息, 即地表水力动力, 以及信号方向。 这也许与重力相对, 或者, 对于带光传感器的微生物, 一个光源, 我们用中性动力的微生物, 我们用一个中性模型来分析一个可比较的游泳模型。

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