The effectiveness of resistive force theory in granular locomotion

Resistive force theory (RFT) wordt vaak gebruikt om de beweging te analyseren van microscopische organismen die in vloeistoffen zwemmen. In de RFT wordt een lichaam opgedeeld in infinitesimale segmenten, die elk stuwkracht genereren en weerstand ondervinden. Lineaire superpositie van krachten van elementen over het lichaam maakt voorspelling mogelijk van zwemsnelheden en efficiëntie. Wij tonen aan dat RFT kwantitatief de beweging beschrijft van dieren en robots die bewegen op en in droge korrelvormige media (GM), verzamelingen deeltjes met vaste, vloeibare en gasachtige eigenschappen. RFT werkt goed wanneer het GM licht polydispers is, en in het “wrijvingsvloeistof” regime, zodat wrijvingskrachten de materiaale traagheidskrachten domineren, en wanneer voortbeweging kan worden benaderd als beperkt tot een vlak. Binnen een gegeven vlak (horizontaal of verticaal) zijn de relaties die de kracht versus de oriëntatie van een elementaire indringer bepalen, functioneel onafhankelijk van het korrelige medium. We gebruiken de RFT om eigenschappen van voortbeweging op en binnen korrelvormige media te verklaren, waaronder kinematische en spieractiveringspatronen tijdens zand-zwemmen door een zandhagedis en een slang met een schopneus, optimale bewegingspatronen van een Purcell zand-zwemrobot met 3 scharnieren, onthuld door een geometrisch-mechanische benadering, en beenvoortbeweging van kleine robots op het oppervlak van GM. We sluiten af met een bespreking van situaties waarin granulaire RFT nog niet is toegepast (zoals hellende granulaire oppervlakken), en de vooruitgang in de fysica van granulaire media die nodig is om RFT in dergelijke situaties toe te passen.