Soft, slender structures are ubiquitous in natural and engineered systems, with broad application potential from biomimetic materials to soft robotics. However, there is a notable lack of computational tools that simultaneously preserve high-fidelity continuum rod mechanics, scale to large interacting ensembles, and remain flexible across diverse biophysical settings. Here we introduce Elastica++, an open-source, high-performance implementation of the Cosserat-rod model for large-scale simulations of slender-body dynamics. Elastica++ combines performance-oriented kernels with shared-memory parallelism to sustain teraflop-scale throughput despite complex discretization domains and physical interactions. The framework further interoperates with external numerical solvers, supporting efficient multiphysics workflows. We demonstrate robustness and breadth through case studies spanning passive nest-like metamaterials, collective active-matter dynamics, cilia carpets, soft magnetic microrobots, and schooling swimmers. Elastica++ thus provides a missing foundation for high-throughput studies of emergent behavior in interacting assemblies of elastic slender structures.


翻译:柔软细长结构在自然与工程系统中普遍存在,在仿生材料到软体机器人领域具有广阔应用前景。然而,当前明显缺乏能够同时保持高保真度连续介质杆力学模型、可扩展至大规模相互作用集合、并在不同生物物理情境下保持灵活性的计算工具。本文提出弹性体++(Elastica++)——一种基于科瑟拉杆模型的开源高性能实现,专用于细长体动力学的大规模模拟。该框架通过结合面向性能的核心运算与共享内存并行技术,在复杂离散域及物理相互作用条件下仍可维持太拉级计算吞吐量。此外,该框架支持与外部数值求解器协同工作,实现高效的多物理场工作流。我们通过涵盖被动巢状超材料、集体活性物质动力学、纤毛毯、软体磁控微型机器人及鱼群游动等案例研究,验证了该框架的稳健性与广泛适用性。弹性体++为弹性细长结构相互作用集合的涌现行为高通量研究提供了缺失的基础支撑。

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