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Thèse Année : 2021

Mechanisms of undulatory underwater locomotion

Mécanismes de locomotion ondulatoire sous-marine

Résumé

In this thesis, we are interested in the undulatory swimming of aquatic animals at high Reynolds numbers, where the inertial forces predominate. Aquatic locomotion involves an intricate inter- action between a swimmer and its environment. Therefore, understanding this process requires to consider the fluid-structure interaction of the swimmer moving within a fluid and the sensory perception that feeds back its motile activity. The fluid-structure interaction is studied in the first chapter utilizing a rigid airfoil-shaped swimmer that performs an oscillatory motion converted into a translational motion. Then, the fluid forces generated by the imposed kinematics are calculated using inviscid fluid theory, and the locomotion velocity is obtained by solving Newton’s laws. The numerical solution of the equations is further complemented with perturbative calculations in the limit of small oscillation amplitudes. Both approaches are consistent and give predictions of the swimming velocity as a function of the parameters of the system. In the second chapter, the interaction with the environment is extended and the motile activity of the fish is not prescribed anymore but is driven by the fluid-structure interaction. We hypothesize that a feedback loop based on the proprioception sense results in an instability, driving the locomotion. This hypothesis is tested on an experimental platform using a biomimetic robot attached to a sensor force. We prove that proprioception is able to generate spontaneous undulations of the robot, which validates the idea that underwater swimmers might select their amplitude and beating frequency using mechanical sensors. We compare the experimental results to a simple yet generic model with excellent agreement. Finally, in the third chapter, we investigate the undulatory gaits as functions of the swimmer’s adaptation to the environment by optimizing two fundamental quantities: the swimming speed and the energy expenditure. By imposing different deformation kinematics, we study what are the conditions to maximize the swimming speed. By requiring that satisfactory swimming gaits are solutions that minimize the energy expenditure for some given constraints, several sets of gaits are found. The harmonic gait is recovered as the one that minimizes the cost of transport for a given typical tail beat amplitude. The analytical results are compared with numerical simulations performed with a Reinforcement Learning algorithm.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à la nage ondulatoire des animaux aquatiques à des nombres de Reynolds élevés, et donc à des régimes pour lesquels les forces inertielles prédominent. La locomotion aquatique implique une interaction complexe entre le corps du nageur et l’écoulement induit dans l’environnement. Pour étudier cette question, nous devons considérer à la fois l’interaction fluide- structure d’un nageur se déplaçant dans un fluide et la perception sensorielle qui en résulte et dicte l’activité motrice. L’interaction fluide-structure est d’abord étudiée dans le premier chapitre à l’aide d’un nageur rigide en forme de profil d’aile qui effectue des mouvements de rotation qui entraînent un déplacement translationnel du nageur. Ensuite, les forces du fluide générées par le mouvement du nageur sont calculées à l’aide de la théorie des fluides parfaits, et la vitesse de locomotion est obtenue en résolvant les lois de Newton. Une résolution numérique des équations est complétée par des calculs perturbatifs dans la limite des petites amplitudes d’oscillation. Ces deux approches permettent d’obtenir une expression de la vitesse de nage en fonction des autres paramètres du problème. Dans le deuxième chapitre, l’activité motrice du poisson n’est plus prescrite mais dépend de l’interaction avec l’environnement. Nous formulons l’hypothèse qu’une boucle de rétroaction basée sur le sens de la proprioception entraîne une instabilité qui engendre la locomotion. Cette hypothèse est testée sur une plateforme expérimentale en utilisant un robot biomimétique attaché à un capteur de force. Nous prouvons que la proprioception est capable de générer des oscillations spontanées de la nageoire du robot, ce qui nous permet de valider l’idée que les nageurs sous-marins pourraient sélectionner leur amplitude et leur fréquence de battement `a l’aide de capteurs mécaniques. Nous comparons les résultats expérimentaux à un modèle simple mais générique avec un excellent accord. Enfin, dans le troisième chapitre, nous analysons les allures ondulatoires en fonction de l’adaptation du nageur à son environnement en optimisant deux quantités fondamentales : la vitesse de nage et la dépense énergétique. En imposant différentes cinématiques de déformation, nous étudions dans quelles conditions la vitesse de nage est maximisée. En recherchant des solutions qui minimisent la dépense d’énergie pour des contraintes données, différentes allures de nage sont trouvées. L’allure à mouvement sinusoïdal correspond à celle qui minimise le “cost of trans- port” pour une amplitude de nage typique donnée. Les résultats analytiques sont comparés à des simulations numériques de type Reinforcement Learning.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03574553 , version 1 (15-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03574553 , version 1

Citer

Jesús Sánchez Rodríguez. Mechanisms of undulatory underwater locomotion. Biomechanics [physics.med-ph]. Université Côte d'Azur, 2021. English. ⟨NNT : 2021COAZ4094⟩. ⟨tel-03574553⟩
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