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:软细长结构在自然与工程系统中普遍存在,在仿生材料至软体机器人等领域具有广泛应用潜力。然而,当前严重缺乏能同时保持高保真连续介质杆力学、可扩展至大尺度相互作用体系、且能灵活适应不同生物物理场景的计算工具。本文提出Elastica++——基于Cosserat杆模型的开源高性能实现,专用于细长体动力学的大尺度仿真。Elastica++通过面向性能的计算核心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能维持每秒万亿次浮点运算量级的吞吐能力。该框架进一步兼容外部数值求解器,支持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、纤毛阵列、软磁微型机器人及鱼群游动等案例研究,验证了其鲁棒性与广泛适用性。Elastica++因而为弹性细长结构相互作用体系中涌现行为的通量研究提供了缺失的基础框架。

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