The locomotion and mechanical efficiency of micro organisms, specifically micro-swimmers, have drawn interest in the fields of biology and fluid dynamics. A challenge in designing flagellated micro- and macro-scale robots is the geometrically nonlinear deformation of slender structures (e.g. rod-like flagella) ensuing from the interplay of elasticity and hydrodynamics. Certain types of bacteria such as Escherichia coli propel themselves by rotating multiple filamentary structures in low Reynolds flow. This multi-flagellated propulsive mechanism is qualitatively different from the single-flagellated mechanism exhibited by some other types of bacteria such as Vibrio cholerae. The differences include the flagella forming a bundle to increase directional stability for cell motility, offering redundancy for a cell to move, and offering the ability of flagella to be the delivery material itself. Above all, multi-flagellated biological system can inspire novel soft robots for application in drug transportation and delivery within the human body. We present a macroscopic soft robotic hardware platform and a computational framework for a physically plausible simulation model of the multi-flagellated robot. The fluid-structure interaction simulation couples the Discrete Elastic Rods algorithm with the method of Regularized Stokeslet Segments. Contact between two flagella is handled by a penalty-based method due to Spillmann and Teschner. We present comparison between our experimental and simulation results and verify that the simulation tool can capture the essential physics of this problem. The stability and efficiency of a multi-flagellated robot are compared with the single-flagellated counterpart.


翻译:微生物,特别是微微闪烁机的滚动和机械效率引起了对生物学和流体动力学领域的兴趣。在设计悬挂旗状的微型和宏观机器人方面,一个挑战在于,由于弹性和流体动力学的相互作用,微粒结构(例如,棒状的旗子)的几何非线性变形(例如,棒状的旗子)由于弹性和流体动力学的相互作用而产生。某些类型的细菌,例如Escherichia coli,通过在Reynolds的低流量中旋转多种丝状结构来推动自己。这个多旗状的促动机制在质量上不同于诸如Vibrio 霍乱等其他类型细菌所展示的单旗状机械化机制。这些差异包括:组成一个旗形的捆绑,以提高细胞固定性结构结构的定向稳定性,为细胞运动提供冗余能力,使旗子的能力成为交付材料本身。最重要的是,多旗状的生物系统可以激发新型软体型机器人在人体体内运输和交付过程中应用。我们展示了一个宏观软体形的机器人硬件硬件平台和计算框架,用来比较一个实际的基质的基质的基质的基质的基比比结构的基体的基体的基体的基体的基体的基质结构的基比结构的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体结构, 和基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的比的比的比的比比的比的比的比的比的比法是是的基体的基体的基体的基的基体的基体的基体的基体的比法是的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体制的基体的基体的基体的基体的基体的基体的基体的

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