PROGRAMMA PRIN 2022 - B安道 PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 二月 2022

项目标题： 生物混合软体游泳器的精确模拟（ABYSS）

CODICE CUP: D53D23003410006

预算： € 106.888

P.I.: Marco Donato de Tullio（巴里理工大学）

其他研究单位： 
圣安娜高等大学研究与高等教育学院（P.I.: Antonio De Simone）
卡拉布里亚大学（P.I.: Leonardo Leonetti）

ABYSS 研究项目致力于对受水母启发的生物混合软体游泳器进行数值模拟。该项目基于这样一个前提：若将软体机器人运动中的各个物理现象彼此孤立，便无法获得其运动的整体数字化表征。相反，游泳行为源于在活性组织中传播的激发波、软结构变形以及周围流体动力学之间的复杂相互作用。因此，该项目旨在将这些相互作用机制逐步整合到一个统一的计算框架中。 

本研究的主要预期成果是一种灵活且精确的计算工具，可用于研究流体-结构-电生理相互作用，并能够对脉动式游泳模型中驱动与运动之间的耦合提供高保真预测。特别是，聚焦于水母启发式推进研究，该工具应能够深入理解激活动力学与游泳性能之间的关系。此外，它还应支持对生物混合水母状机器人设计参数的系统探索，帮助识别高效构型，并减少对大规模实验研究的依赖。

该项目的总体目标已经实现。已开发出一个高效的计算平台，用于对主动柔性游泳者进行高保真多物理场模拟，该平台通过耦合用于流体-结构-电生理相互作用的先进方法而构建。该框架实现了对水母运动的高精度模拟，能够表征从电生理激活、肌肉收缩到流体-结构相互作用的完整神经-机械链条，并阐明不同神经-肌肉架构的作用。该数值工具被用于在不同条件下模拟游泳行为，同时保持足够的抽象层次，以确保其在单一生物体之外的普适适用性。研究还系统分析了主要生理与控制参数的影响。对身体-涡旋相互作用的深入分析阐明了推力生成的基本机制，包括非对称驱动情形，这类情形典型地对应于实现运动控制的转向与机动策略。模拟工作还识别出将电生理驱动参数与运动性能联系起来的尺度定律，为人工系统的设计与控制提供了定量指导。最后，该研究进一步扩展到仿生柔性机器人系统的模拟与设计，评估了推进效率和运输成本等关键性能指标。基于对自然水母运动分析所获得的知识，这些模拟有助于在生物混合机器人领域确定最优设计方案。

总之，ABYSS 项目表明，高保真多物理场模拟能够提供可操作的知识，并指导仿生柔性游泳者的理性设计。通过结合流体动力学、薄结构力学、电生理学和数值分析方面的专长，联盟构建了一个计算框架，可轻松扩展至更广泛的主动游泳者和可变形水上机器人的类别，这也证明了沿着项目所开辟的研究方向继续开展工作的必要性。