复杂流动中的智能颗粒游动策略研究进展1)

邱敬然 赵立豪

(清华大学航天航空学院工程力学系应用力学教育部重点实验室,北京 100084)

引言

近年来,主动颗粒(active particle)的概念逐渐进入人们的视野.流体中的主动颗粒通常指具有自推进能力的微型颗粒物,例如游动的细菌[1]和浮游生物[2]等微生物,或医用微纳机器人[3].研究主动颗粒的行为特性有两个方面的意义:从微观角度上,单个颗粒的运动决定了其自身的状态.例如,浮游生物是否能躲避捕食者,微纳机器人是否能完成给定的任务,都取决于其自身的运动情况;从宏观角度上,群体中每个颗粒的运动模式决定了整个群体的运动性质.例如,Reynolds[4]提出的鸟群模型中就通过控制个体的运动来实现群体层面的运动特性,Li 等[5]也运用类似的原理,利用功能简单的主动颗粒个体组成群体,从而完成复杂的任务.

主动颗粒通常在流体介质中运动,例如浮游生物在海洋或其他水域活动,微纳机器人进入人体后在血液中运动.因此,大量研究聚焦于主动颗粒在各种流动环境下的运动特性,包括游动速度、游动方向和聚集程度等.Durham 等[6]研究了基于微生物模型的主动颗粒在二维Taylor-Green 涡中的分布和聚集情况,并发现重力引起的恢复力矩(gyrotactic力矩)[7]会使颗粒聚集在特定的驻点区域.Durham等[8]发现在重力恢复力矩作用下,湍流中的主动颗粒倾向于聚集在流速朝下的区域.此后,相关研究进一步揭示了不同形状的主动颗粒的聚集特性和原理[9-10].另一方面,由于主动颗……