クラゲにインスパイアされたソフトロボットスイマーの磁場による推進

生物医学およびマイクロフルイドの用途におけるスイマー、カテーテル、手術装置、およびドラッグキャリア車の形でのソフトロボットの多面的な外観は、今日遍在しています。クラゲ風にインスパイアされたソフトロボットスイマー（ジェリフィッシュボット）は、水泳運動学とマルチモーダルの移動を報告した数人の研究者によって製造され、実験的に特徴付けられています。ただし、磁場誘発性推進を支配する根本的な物理的メカニズムはまだ完全には理解されていません。ここでは、堅牢で効率的な計算フレームワークを使用して、数値シミュレーションを介したジェリフィッシュボットスイミングキネマティクスと誘導フローフィールドダイナミクスを研究します。柔軟なラペットを備えた2次元モデルのジェリフィッシュボットを検討します。これは、ゼリフィッシュボット中心に対称的です。これらのラペットは、外部磁場にさらされて周囲の流体を移動させると、屈曲変形を示し、それにより推進に必要な推進力を生成します。パラメトリックスイープを実行して、さまざまなシステムパラメーター構造、流体、磁気のジェリフィッシュボットの運動パフォーマンスを調査します。ゼリフィッシュボットでは、柔らかい磁気複合エラストマーラペットは、不安定な外部磁場にさらされると、時間的および空間的な非対称性を示します。平均速度は、これらの両方の非対称性に依存していることが観察され、グライドの大きさとそれぞれ水泳サイクルあたりのラペットの先端によって掃引されたネットエリアによって定量化されます。Jellyfishbot Lappetsの適用された磁場と残りの磁化プロファイルの賢明な選択がこれらの両方の非対称性を強化することを観察します。さらに、ゼリフィッシュボットの水泳速度が正味の領域を掃引した（空間的非対称性）依存性は、滑る比の速度の依存度（時間的非対称性）の2倍の高さです。最後に、水泳速度と異なる運動学的パラメーターと非次元数の間の機能的な関係が開発されます。私たちの結果は、クラゲ風にインスパイアされた磁気ソフトロボットスイマーの改善の設計に関するガイドラインを提供します。

The multifaceted appearance of soft robots in the form of swimmers, catheters, surgical devices, and drug-carrier vehicles in biomedical and microfluidic applications is ubiquitous today. Jellyfish-inspired soft robotic swimmers (jellyfishbots) have been fabricated and experimentally characterized by several researchers that reported their swimming kinematics and multimodal locomotion. However, the underlying physical mechanisms that govern magnetic-field-induced propulsion are not yet fully understood. Here, we use a robust and efficient computational framework to study the jellyfishbot swimming kinematics and the induced flow field dynamics through numerical simulation. We consider a two-dimensional model jellyfishbot that has flexible lappets, which are symmetric about the jellyfishbot center. These lappets exhibit flexural deformation when subjected to external magnetic fields to displace the surrounding fluid, thereby generating the thrust required for propulsion. We perform a parametric sweep to explore the jellyfishbot kinematic performance for different system parameters-structural, fluidic, and magnetic. In jellyfishbots, the soft magnetic composite elastomeric lappets exhibit temporal and spatial asymmetries when subjected to unsteady external magnetic fields. The average speed is observed to be dependent on both these asymmetries, quantified by the glide magnitude and the net area swept by the lappet tips per swimming cycle, respectively. We observe that a judicious choice of the applied magnetic field and remnant magnetization profile in the jellyfishbot lappets enhances both these asymmetries. Furthermore, the dependence of the jellyfishbot swimming speed upon the net area swept (spatial asymmetry) is twice as high as the dependence of speed on the glide ratio (temporal asymmetry). Finally, functional relationships between the swimming speed and different kinematic parameters and nondimensional numbers are developed. Our results provide guidelines for the design of improved jellyfish-inspired magnetic soft robotic swimmers.