Computational and microhydrodynamic modeling and experiments with bio-inspired swimming robots in cylindrical channels

Abstract

Yüzebilen mikro robotik sistemler, gelecekteki minimal invaziv cerrahi uygulamalar için alternatif oluşturmaktadır. Mikro boyutlardaki robotların canlı dokular içerisindeki sıvı dolu boşluk ve kanallarda verimli bir şekilde hareket edebilmesi için bakteri hücreleri gibi doğal mikro yüzücüleri taklit etmeleri gerekmektedir. Buna bağlı olarak, bakteri hücrelerinin mikro boyutlarda hidrodinamik modellemelerinin yapılması kontrol ve optimizasyon çalışmaları açısından önem taşımaktadır. Bu çalışmada, bakterileri taklit eden santimetre boyutundaki robotik prototiplerin düzgün silindirik kanallar içerisindeki yüzme hareketleri incelenmiştir. Söz konusu prototipler taşıdıkları batarya ve kontrol devreleri ile döner sarmal kuyruklarını tahrik ederek kendilerini yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde sevk etmektedirler. Deneylerde, yüzme hızı ile değişken kuyruk geometrisi, değişken kanal çapı ve dikey/yatay konumlarda kanal duvarlarına yakınlık ilişkileri incelenmiştir. Daha sonra, hesaplamalı akışkanlar mekaniği metoduna dayanan benzeşim çalışmaları yapılmıştır. Benzeşim çalışmalarında, dar ve geniş kanallar içerisinde hareket eden bu yüzücü robotlar modellenmiş, ve deney sonuçları ile model doğrulamaları yapılmıştır. Doğrulanmış modeller ile sınırlandırılmamış yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde duvar etkilerinden bağımsız olarak yüzen bakteri tipi robotların gövde ve kuyrukları arasındaki hidrodinamik etkileşim incelenmiştir. Ayrıca, değişken kanal çapının ve de kuyruk geometrisinin yüzme hızı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Son olarak, direnç-kuvveti-teorisi tabanlı, zamana-bağlı altı-serbestlik-dereceli bir mikrohidrodinamik model geliştirilmiştir. Bu modelde, viskoz kuvvetler göz önüne alınarak tüm katı-cisim ve akışkan ivmeleri sıfır kabul edilmiştir. Robotun yüzme hızları sıfır-kuvvetle-yüzme kısıtlaması kullanılarak birinci dereceden bir denklemler sistemi ile hesaplanmaktadır. Mikrohidrodinamik model, dikey/yatay kanal deneyleri ve hesaplamalı akışkanlar mekaniği benzeşim sonuçları ile ayrı ayrı doğrulanmıştır. Doğrulanan mikrohidrodinamik model, örnek model-tabanlı kontrol çalışmalarında ve enerji verimliliği ile yüksek hız için gerekli sarmal kuyruk taslaklarının bulunmasında kullanılmıştır.

Modeling and control of swimming untethered micro robots are important for future therapeutic medical applications. Bio-inspired propulsion methods emerge as realistic substitutes for hydrodynamic thrust generation in micro realm. Accurate modeling, power supply, and propulsion-means directly affect the mobility and maneuverability of swimming micro robots with helical or planar wave propagation.Flow field around a bio-inspired micro swimmer comprised of a spherical body and a rotating helical tail is studied with time-dependent three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. Analytical hydrodynamic studies on the bodies of well known geometries submerged in viscous flows reported in literature do not address the effect of hydrodynamic interactions between the body and the tail of the robot in unbounded viscous fluids. Hydrodynamic interactions are explained qualitatively and quantitatively with the help of CFD-model.A cm-scale powered bio-inspired swimmer robot with helical tails is manufactured including a payload and a replaceable rigid helical tail. The payload includes on-board power supply and remote-control circuitry. A number of helical tails with parameterized wave geometry are used. Swimmer performed in cylindrical channels of different diameters while fully submerged in an oil-bath of high viscosity.A real-time six degrees-of-freedom microhydrodynamic model is developed and implemented to predict the rigid-body motion of the swimming robots with helical and traveling-plane-wave tails. Results of microhydrodynamic models with alternative resistance coefficients are compared against CFD simulations and in-channel swimming experiments with different tails. Validated microhydrodynamic model is further employed to study efficient geometric designs with different wave propagation methods within a predefined design space.