For decades, people have been seeking for fishlike flapping motions that can realize underwater propulsion with low energy cost. Complexity of the nonstationary flow field around the flapping body makes this problem very difficult. In earlier studies, motion patterns are usually prescribed as certain periodic functions which constrains the following optimization process in a small subdomain of the whole motion space. In this work, to avoid this motion constraint, a variational autoencoder (VAE) is designed to compress various flapping motions into a simple action vector. Then we let a flapping airfoil continuously interact with water tunnel environment and adjust its action accordingly through a reinforcement learning (RL) framework. By this automatic close-looped experiment, we obtain several motion patterns that can result in high hydrodynamic efficiency comparing to pure harmonic motions with the same thrust level. And we find that, after numerous trials and errors, RL trainings in current experiment always converge to motion patterns that are close to harmonic motions. In other words, current work proves that harmonic motion with appropriate amplitude and frequency is always an optimal choice for efficient underwater propulsion. Furthermore, the RL framework proposed here can be also extended to the study of other complex swimming problems, which might pave the way for the creation of a robotic fish that can swim like a real fish.


翻译:几十年来,人们一直在寻找能够以低能量成本实现水下推进的鱼类拍动运动。 闪光体周围非静止流场的复杂性使得这个问题非常困难。 在早期的研究中,运动模式通常被规定为某些定期功能,这些功能会限制整个运动空间小子场的以下优化过程。 在这项工作中,为了避免这种运动限制,一个变式自动电解器(VAE)的设计是为了将各种拍动动作压缩成一个简单的动作矢量。 换句话说, 目前的工作证明,与水下隧道环境持续交融,并通过一个强化学习(RL)框架来相应调整其动作。 通过这一自动近距离的实验,我们得到了一些运动模式,这些运动模式可以导致高水力动力效率,而与同一推进水平的纯协调运动相比。我们发现,经过无数试验和错误后,当前试验中的RL培训总是将各种运动模式集中到接近调力运动的移动方向。 换句话说, 当前的工作证明, 以适当的调和频率的调和频率的气动运动始终是高效水下推进的最佳选择。 此外,在这里提议的RL框架可以扩展一个真正的水上建造一个鱼体的问题。</s>

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