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Nonlinear tunable stiffness for high-efficiency biomimetic propulsion

非线性系统 推进 刚度 材料科学 仿生学 机械 航空航天工程 物理 纳米技术 复合材料 量子力学 工程类
作者
Yiming Lu,Haicheng Zhang,Daolin Xu,Wei‐Xi Huang
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1017
标识
DOI:10.1017/jfm.2025.10440
摘要

Several million years of natural evolution have endowed marine animals with high flexibility and mobility. A key factor in this achievement is their ability to modulate stiffness during swimming. However, an unresolved puzzle remains regarding how muscles modulate stiffness, and the implications of this capability for achieving high swimming efficiency. Inspired by this, we proposed a self-propulsor model that employs a parabolic stiffness-tuning strategy, emulating the muscle tensioning observed in biological counterparts. Furthermore, efforts have been directed towards developing the nonlinear vortex sheet method, specifically designed to address nonlinear fluid–structure coupling problems. This work aims to analyse how and why nonlinear tunable stiffness influences swimming performance. Numerical results demonstrate that swimmers with nonlinear tunable stiffness can double their speed and efficiency across nearly the entire frequency range. Additionally, our findings reveal that high-efficiency biomimetic propulsion originates from snap-through instability, which facilitates the emergence of quasi-quadrilateral swimming patterns and enhances vortex strength. Moreover, this study examines the influence of nonlinear stiffness on swimming performance, providing valuable insights into the optimisation of next-generation, high-performance, fish-inspired robotic systems.
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