<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Robot. AI</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Robotics and AI</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Robot. AI</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-9144</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/frobt.2018.00099</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Robotics and AI</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Peristaltic Waves as Optimal Gaits in Metameric Bio-Inspired Robots</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Agostinelli</surname> <given-names>Daniele</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/550985/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Alouges</surname> <given-names>Fran&#x000E7;ois</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>DeSimone</surname> <given-names>Antonio</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/126035/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>International School for Advanced Studies (SISSA)</institution>, <addr-line>Trieste</addr-line>, <country>Italy</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Centre de Math&#x000E9;matiques Appliqu&#x000E9;es, &#x000C9;cole Polyt&#x000E9;chnique, Universit&#x000E9; Paris-Saclay</institution>, <addr-line>Paris</addr-line>, <country>France</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>The BioRobotics Institute, Sant&#x00027;Anna School for Advanced Studies</institution>, <addr-line>Pisa</addr-line>, <country>Italy</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Matteo Cianchetti, Scuola Sant&#x00027;Anna di Studi Avanzati, Italy</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Shinya Aoi, Kyoto University, Japan; Barbara Mazzolai, Fondazione Istituto Italiano di Technologia, Italy</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Antonio DeSimone <email>desimone&#x00040;sissa.it</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Soft Robotics, a section of the journal Frontiers in Robotics and AI</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>05</day>
<month>09</month>
<year>2018</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2018</year>
</pub-date>
<volume>5</volume>
<elocation-id>99</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>04</month>
<year>2018</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>31</day>
<month>07</month>
<year>2018</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2018 Agostinelli, Alouges and DeSimone.</copyright-statement>
<copyright-year>2018</copyright-year>
<copyright-holder>Agostinelli, Alouges and DeSimone</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p><italic>Peristalsis</italic>, i.e., a motion pattern arising from the propagation of muscle contraction and expansion waves along the body, is a common locomotion strategy for limbless animals. Mimicking peristalsis in bio-inspired robots has attracted considerable attention in the literature. It has recently been observed that maximal velocity in a metameric earthworm-like robot is achieved by actuating the segments using a &#x0201C;phase coordination&#x0201D; principle. This paper shows that, in fact, peristalsis (which requires not only phase coordination, but also that all segments oscillate at same frequency and amplitude) emerges from optimization principles. More precisely, basing our analysis on the assumption of small deformations, we show that peristaltic waves provide the optimal actuation solution in the ideal case of a periodic infinite system, and that this is approximately true, modulo edge effects, for the real, finite length system. Therefore, this paper confirms the effectiveness of mimicking peristalsis in bio-inspired robots, at least in the small-deformation regime. Further research will be required to test the effectiveness of this strategy if large deformations are allowed.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>crawling motility</kwd>
<kwd>lumbricus terrestris</kwd>
<kwd>peristalsis</kwd>
<kwd>self-propulsion</kwd>
<kwd>metameric robots</kwd>
<kwd>biomimetic robots</kwd>
<kwd>soft robotics</kwd>
<kwd>optimization</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">MicroMotility - 340685</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">European Research Council<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000781</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="11"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="122"/>
<ref-count count="27"/>
<page-count count="15"/>
<word-count count="6657"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>The study of self-propelled locomotors exploiting friction-induced traction as a result of body shape changes, is gaining attention because of the variety of physical systems which take advantage of such a locomotion strategy. One motivation is the desire to understand biological phenomena, such as cell migration on or within solid substrates, matrices, and tissues (Alberts et al., <xref ref-type="bibr" rid="B1">2002</xref>). Another motivation is the attempt to replicate these mechanisms in robotics with the idea that biomimetic constructs may outperform traditional ones when confronted with unstructured and unpredictable environments.</p>
<p>In particular, robotic locomotion research has recently considered crawling and burrowing animals (e.g., earthworms, snakes, and caterpillars), whence an increasing number of research projects on bio-inspired metameric (soft) robots (Menciassi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2006</xref>; Wang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B25">2009</xref>; Boxerbaum et al., <xref ref-type="bibr" rid="B2">2012</xref>; Daltorio et al., <xref ref-type="bibr" rid="B5">2013</xref>; Fang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>; Nemitz et al., <xref ref-type="bibr" rid="B20">2016</xref>; Umedachi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B23">2016</xref>; Ge et al., <xref ref-type="bibr" rid="B13">2017</xref>). As a matter of fact, many species such as earthworms, caterpillars, sea cucumbers and snails move using peristalsis which is a locomotion mechanism consisting of a series of wave-like muscle relaxation and contraction which propagate along the body (Quillin, <xref ref-type="bibr" rid="B22">1999</xref>). One of the most studied biological species is <italic>Lumbricus terrestris</italic> (commonly known as <italic>nightcrawler</italic>) which is a kind of earthworm which uses peristalsis both for surface crawling and for burrowing. Each of its <italic>metameres</italic> (body segments) is endowed with longitudinal and circular muscles and can regulate frictional forces thanks to microscopic bristles called <italic>setae</italic> (Quillin, <xref ref-type="bibr" rid="B22">1999</xref>). Understanding how relatively simple organisms are able to attain peristalsis and to which extent coordination is regulated by either the nervous system or spontaneous reflexes, are questions addressed by researchers for about a century and are still drawing attention (Garrey and Moore, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1915</xref>; Gray and Lissmann, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1938</xref>; Gardner, <xref ref-type="bibr" rid="B11">1976</xref>; Quillin, <xref ref-type="bibr" rid="B22">1999</xref>).</p>
<p>In the field of robotics, peristalsis has been mostly mimicked by <italic>a priori</italic> assignment of &#x0201C;gaits&#x0201D; defined by a few scalar parameters. Optimization of locomotion performances with respect to variations of these scalar parameters has been studied. Fang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>) consider harmonic deformations with a single, fixed, (time) frequency and amplitude, and determine the phase patterns of actuation maximizing the average velocity. Optimization leads to phase coordination, in the form of a pattern which is close to the <italic>identical-phase-difference</italic> (IPD) pattern corresponding to peristalsis. However, no rigorous proof of the connection between peristaltic waves and optimal actuation is given and, more importantly, the basic hypothesis of harmonic oscillations with a single fixed time frequency and amplitude is taken as an a priori assumption.</p>
<p>This paper aims to provide a deeper understanding of harmonic oscillations and peristalsis as result of an optimization problem rather than an a priori hypothesis. Indeed, we prove that - in the regime of small deformations - peristalsis is a symmetry property of the solution to an optimization problem. Symmetry of the solution comes from symmetry properties of operators in the equations governing the optimization problem, which are, in turn, the signature of geometric symmetries of the physical system.</p>
<p>The rest of the paper is organized in three main sections: material and methods, results and discussion. The first one, inspired by nightcrawlers&#x00027; retractable <italic>setae</italic>, introduces a velocity-force law which is able to describe, for limit values of a single scalar parameter, the linear case (Newtonian) as well as the case of &#x0201C;free slip&#x02013;perfect grip.&#x0201D; This model is presented in both continuous and discrete version and in the latter case we address some related optimal control problems. The second section illustrates the behavior of the continuous model by means of two examples and shows how peristalsis emerges, up to edge-effects, from optimization problems in the discrete framework. The last section presents a comparison with the work presented by Fang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>), states the main conclusions and provides directions for the future.</p>
</sec>
<sec sec-type="materials and methods" id="s2">
<title>2. Materials and methods</title>
<sec>
<title>2.1. Continuous self-propelled 1D crawlers</title>
<sec>
<title>Model description and kinematics</title>
<p>Consider a 1D crawler moving along a straight line and assume its reference configuration is the segment</p>
<disp-formula id="E1"><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>. We use the same formalism introduced by DeSimone and Tatone (<xref ref-type="bibr" rid="B8">2012</xref>) and DeSimone et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B7">2013</xref>) so that <italic>X</italic> is the coordinate in the reference configuration while <italic>x</italic>(<italic>t</italic>) denotes the coordinate along the crawler&#x00027;s body in the current configuration (at time <italic>t</italic>). In particular <italic>x</italic>(<italic>t</italic>) is the image of <italic>X</italic> through the current transformation &#x003C7;(&#x000B7;, <italic>t</italic>) which can be written in terms of the current distance <italic>s</italic>(&#x000B7;, <italic>t</italic>) from the left end, i.e.,</p>
<disp-formula id="E2"><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>x</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>): &#x0003D; &#x003C7;(<italic>X</italic><sub>1</sub>, <italic>t</italic>) and <italic>x</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>): &#x0003D; &#x003C7;(<italic>X</italic><sub>2</sub>, <italic>t</italic>). By definition, <italic>s</italic>(0, <italic>t</italic>)&#x02261;0 for all <italic>t</italic> and we assume that</p>
<disp-formula id="E3"><label>(1)</label><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>in order to guarantee the monotonicity of &#x003C7;(&#x000B7;, <italic>t</italic>) at any time <italic>t</italic>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Kinematics of a continuous 1D crawler: reference <bold>(A)</bold> and current <bold>(B)</bold> configurations.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0001.tif"/>
</fig>
<p>In what follows a prime will denote the derivative with respect to <italic>X</italic> while a superscript dot will denote the derivative with respect to <italic>t</italic>.</p>
<p>We define the displacement</p>
<disp-formula id="E4"><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E5"><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where we have implicitly defined the strain</p>
<disp-formula id="E6"><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>in terms of which condition (1) reads</p>
<disp-formula id="E7"><label>(2)</label><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, notice that, since the material (or Lagrangian) velocity is</p>
<disp-formula id="E8"><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>the spatial (or Eulerian) velocity is given by</p>
<disp-formula id="E9"><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>Equations of motion</title>
<p>Throughout this section we deal with the motility problem, namely, given a history of strain &#x003F5;(<italic>X, t</italic>), the aim is to find <italic>x</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) which determines the dynamics of the one-dimensional crawler.</p>
<sec>
<title>Friction laws</title>
<p>The force at the interface between substrate and crawler is modelled through a force-velocity relationship. In particular, we write the density per unit current length of the tangential component of the friction force at time <italic>t</italic>, <italic>f</italic>(<italic>x, t</italic>), as a function of the Eulerian velocity <italic>v</italic>(<italic>x, t</italic>).</p>
<p>Several models for the resistance forces are conceivable such as a</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>Newtonian model, i.e., a linear viscous law
<disp-formula id="E10"><label>(3)</label><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where &#x003BC;&#x0003E;0 is a friction (or viscosity) coefficient;</p></list-item>
<list-item><p>or a more general &#x0201C;<italic>p</italic>-model&#x0201D;
<disp-formula id="E11"><label>(4)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;where&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>for <italic>p</italic>&#x02208;[0, &#x0002B;&#x0221E;). Parameter <italic>p</italic> in our force law (4) allows us to investigate different types of frictional behaviors. For <italic>p</italic> &#x0003D; 0, we obtain a force per unit current length that is a linear function of velocity alone, which reduces to the Newtonian model (3). For <italic>p</italic>&#x0003E;0, we obtain a friction law that is sensitive to the state of elongation of the segment, with force per unit length higher or lower than that of the Newtonian case depending on whether the element is contracted (&#x003BB; &#x0003C; 1 or &#x003F5; &#x0003C; 0) or extended (&#x003BB;&#x0003E;1 or &#x003F5;&#x0003E;0). In the limit <italic>p</italic> &#x02192; &#x0221E;, this produces an idealized model for friction in which no force opposes slip when the segment is extended (free slip), while the segment can withstand any tangential force without sliding (perfect grip) when it is contracted. We call this idealized model &#x0201C;free slip&#x02013;perfect grip.&#x0201D; Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref> displays the graphs of <italic>g</italic><sub><italic>p</italic></sub>(&#x003F5;) around &#x003F5; &#x0003D; 0 for different values of <italic>p</italic>. In fact, our model is a continuous analog of the discrete model proposed by Fang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>) to mimic the behavior of earthworms&#x00027; setae, which protrude when the body is axially contracted, resulting in an increment of the resistance (Edwards et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2018</xref>).</p>
</list-item>
</list>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Function <italic>g</italic><sub><italic>p</italic></sub>(&#x003F5;) governing the friction law (4) for selected values of parameter <italic>p</italic>.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0002.tif"/>
</fig>
<p>In what follows, we will use the <italic>p</italic>-model (4).</p>
</sec>
<sec>
<title>Force balance</title>
<p>The total friction is obtained by integrating the force per unit current length on the whole current domain, i.e.,</p>
<disp-formula id="E12"><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, by neglecting inertia, the force balance yields</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M14"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The square bracket multiplying &#x01E8B;<sub>1</sub>(<italic>t</italic>) in the formula above is the drag for rigid motion at unit speed and fixed shape &#x003F5;(<italic>X, t</italic>), while <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<italic>t</italic>) is an external force which, for instance, can take into account the gravity force acting on a crawler on an inclined plane. Solving for &#x01E8B;<sub>1</sub>(<italic>t</italic>), we obtain</p>
<disp-formula id="E15"><label>(5)</label><mml:math id="M15"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which, in the case of zero external forces, is independent of &#x003BC;.</p>
<p>Notice that, once the initial position <italic>x</italic><sub>1</sub>(0) the strain &#x003F5;(<italic>X, t</italic>) and the external force <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<italic>t</italic>) are provided, the whole dynamics <italic>x</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) can be determined by integrating (5). Indeed, since</p>
<disp-formula id="E16"><label>(6)</label><mml:math id="M16"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>one has</p>
<disp-formula id="E17"><label>(7)</label><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and hence the right hand side of (5) is known once &#x003F5;(<italic>X, t</italic>) is specified.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Discrete self-propelled 1D crawlers</title>
<p>We now move to a discrete model, directly inspired by studies on annelid worms (Quillin, <xref ref-type="bibr" rid="B22">1999</xref>) and metameric robots (Menciassi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2006</xref>; Daltorio et al., <xref ref-type="bibr" rid="B5">2013</xref>; Fang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>).</p>
<sec>
<title>Model description and kinematics</title>
<p>We model the crawler&#x00027;s body as made up of <italic>N</italic> segments of same length <italic>L</italic> in the reference configuration (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>)</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>. Let <italic>x</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>) denote the current position of the left edge; any point <italic>X</italic> in the reference domain is mapped to a point <italic>x</italic>(<italic>t</italic>) in the current domain through the map</p>
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>whence the definition of strain</p>
<disp-formula id="E20"><label>(8)</label><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Kinematics of a discrete 1D crawler consisting of <italic>N</italic> identical segments of reference length L. <bold>(A)</bold> Reference configuration. <bold>(B)</bold> Current configuration.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0003.tif"/>
</fig>
<p>Furthermore, we assume that each segment can be contracted or expanded according to a constant stretch so that the overall strain results to be a piecewise constant function of <italic>X</italic> (at any fixed time <italic>t</italic>), i.e.,</p>
<disp-formula id="E21"><label>(9)</label><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>if&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>segment&#x000A0;1</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>if&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>segment&#x000A0;N</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Consequently its time-derivative, <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is piecewise constant and hence, from (7), &#x01E61;(&#x000B7;, <italic>t</italic>) is piecewise affine, i.e.,</p>
<disp-formula id="E22"><label>(10)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>X</italic>&#x02208;[<italic>X</italic><sub><italic>n</italic>&#x02212;1</sub>, <italic>X</italic><sub><italic>n</italic></sub>]. Note that in this new framework the monotonicity condition (2) reads</p>
<disp-formula id="E23"><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;for&#x000A0;all&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x02009;and&#x000A0;for&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which is the only constraint for an admissible history of strains, the datum of our motility problem.</p>
</sec>
<sec>
<title>Equations of motion</title>
<p>Analogously to the previous case, the force balance yields</p>
<disp-formula id="E24"><mml:math id="M25"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where, in view of (9),</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and, in view of (10),</p>
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M27"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Solving for &#x01E8B;<sub>0</sub>(<italic>t</italic>) we obtain</p>
<disp-formula id="E27"><label>(11)</label><mml:math id="M28"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which can be rewritten in the following vectorial form</p>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M29"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M30"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02003;and&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equation (11) fully describes the dynamics once <italic>x</italic><sub>0</sub>(0) and &#x003F5;(<italic>X, t</italic>) are provided. In particular, the displacement after <italic>T</italic> time units is given by</p>
<disp-formula id="E30"><label>(12)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>Relative displacement</title>
<p>We can rewrite everything in terms of a displacement relative to <italic>x</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>), defined as</p>
<disp-formula id="E31"><label>(13)</label><mml:math id="M32"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>in order to describe the displacement in a coordinate system which is &#x0201C;co-moving&#x0201D; with the left end <italic>x</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>).</p>
<p>In the discrete framework, the relative displacement turns out to be a piecewise affine function of <italic>X</italic> (at any fixed time <italic>t</italic>): if <italic>X</italic>&#x02208;[<italic>X</italic><sub><italic>n</italic>&#x02212;1</sub>, <italic>X</italic><sub><italic>n</italic></sub>],</p>
<disp-formula id="E32"><label>(14)</label><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Setting</p>
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M34"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;for&#x000A0;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we have</p>
<disp-formula id="E34"><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02003;for&#x000A0;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>u</italic><sub>0</sub>&#x02261;0. Equivalently</p>
<disp-formula id="E35"><label>(15)</label><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>J</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and</p>
<disp-formula id="E36"><label>(16)</label><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>J</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>Optimal control problems</title>
<p>In this section we address the problem of maximizing the net displacement &#x00394;<italic>x</italic><sub>0</sub> among periodic shape changes &#x003F5;(<italic>X, t</italic>) with the same given energy cost.</p>
<p>We now describe the optimization problems with quadratic energy in the non-linear case first, and then in the small-deformation regime, for which general results can be established. We assume <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x02261;0.</p>
<sec>
<title>Feasible region</title>
<p>We assume that the shape function <bold>&#x003F5;</bold>(<italic>t</italic>) is a <italic>C</italic><sup>2</sup> function defined from &#x0211D; to &#x0211D;<sup><italic>N</italic></sup>.</p>
<p>In addition, we require <bold>&#x003F5;</bold>(&#x000B7;) to be a time-periodic function. Finally we restrict our search to shape functions with a given cost per period, i.e., <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where the energy functional is assumed to be of the following quadratic form (in both <bold>&#x003F5;</bold> and <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>)</p>
<disp-formula id="E37"><label>(17)</label><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D538; and &#x01D539; are symmetric and positive definite <italic>N</italic>-dimensional matrices. Overall, the feasible region is</p>
<disp-formula id="E38"><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>Optimization problem</title>
<p>The general (non-linear) optimization problem is</p>
<disp-formula id="E39"><label>(18)</label><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which is an isoperimetric problem (e.g., Van Brunt, <xref ref-type="bibr" rid="B24">2004</xref>) involving <italic>N</italic> dependent variables &#x003F5;<sub><italic>n</italic></sub>. The corresponding Euler-Lagrange equations lead to a second order non-linear system of ODEs, i.e., for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>,</p>
<disp-formula id="E40"><label>(19)</label><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (here &#x003BB; denotes a Lagrange multiplier).</p>
</sec>
<sec>
<title>The small-deformation regime</title>
<p>We can focus on the <italic>small-deformation regime</italic> by expanding the objective function at the leading orders (about <bold>&#x003F5;</bold> &#x0003D; <bold>0</bold>), i.e.,</p>
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M47"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>o</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and, integrating by parts,</p>
<disp-formula id="E42"><mml:math id="M48"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>whence</p>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M49"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In particular, it can be proved that the (skew-symmetric Toeplitz) matrix skw(<bold>v</bold><sub><bold>&#x003F5;</bold></sub>(<bold>0</bold>)) &#x0003D;:<italic>V</italic> depends only on <italic>N</italic>, <italic>L</italic> and <italic>p</italic>. Indeed,</p>
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>(see Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">A</xref> in Supplementary Material).</p>
<p>Therefore, in the regime of small deformations, problem (18) can be replaced by the following linear problem</p>
<disp-formula id="E45"><label>(20)</label><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The corresponding Euler-Lagrange equations</p>
<disp-formula id="E46"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E47"><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>lead to the following system of second order linear ODEs</p>
<disp-formula id="E48"><label>(21)</label><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In general, a solution to (21) might be difficult to determine due to the complexity of finding a common diagonalization of &#x01D538; and &#x01D539;. However, following the procedure adopted by Wiezel et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">2018</xref>), we can solve this problem when one of the two operators is null, say &#x01D538;&#x02261;0 (resp. &#x01D539;&#x02261;0), and the other one, &#x01D539; (resp. &#x01D538;), is symmetric, positive definite and such that the eigenspaces associated with the maximum-modulus eigenvalues of <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x01D539;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x01D54D;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x01D539;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (resp. <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x01D538;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x01D54D;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x01D538;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>) have dimension 1. Indeed, as shown in sections 1 and 2 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">B</xref> (Supplementary Material), it turns out that</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>for <italic>A</italic> &#x0003D; 0 and <italic>B</italic> symmetric and positive definite, up to a constant, a solution of (20) must be of the form
<disp-formula id="E49"><label>(22)</label><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>e</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where &#x003B1;&#x02208;&#x02102;\{0} is a constant such that <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02102;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a suitable constant vector depending only on <italic>A</italic> and <italic>V</italic>.</p></list-item>
<list-item><p>for &#x01D538; symmetric and positive definite and &#x01D539; &#x0003D; 0, a solution of (20) with <bold>&#x003F5;</bold> of unitary time frequency must be of the form
<disp-formula id="E50"><label>(23)</label><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>e</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where &#x003B1;&#x02208;&#x02102;\{0} is a constant such that <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02102;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a suitable constant vector depending only on &#x01D539; and &#x01D54D;.</p></list-item>
</list>
<p>Both (22) and (23) have the form</p>
<disp-formula id="E51"><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>e</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>i.e., they are circles in the plane (&#x0211C;(<bold>e</bold>), &#x02111;(<bold>e</bold>)), regardless the number of links. Moreover, using the polar representations</p>
<disp-formula id="E52"><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02003;and&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we get, for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>,</p>
<disp-formula id="E53"><label>(24)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>i.e., the optimal gait depends only on the 2<italic>N</italic>&#x0002B;2 parameters {<sub>&#x003D1;<sub><italic>n</italic></sub>}<italic>n</italic></sub>, {<sub>&#x003F1;<sub><italic>n</italic></sub>}<italic>n</italic></sub>, &#x003D1;<sub><italic>a</italic></sub> and &#x003F1;<sub><italic>a</italic></sub>. Admittedly, since &#x003B1; is a constant with fixed modulus and free argument, we can always assume <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E54"><label>(25)</label><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>thus reducing the number of parameters to 2<italic>N</italic>&#x0002B;1.</p>
<p>The problem for &#x01D538; &#x0003D; 0 and &#x01D539; &#x0003D; &#x01D540;<sub><italic>N</italic></sub> is <italic>essentially equivalent</italic> to the one for &#x01D538; &#x0003D; &#x01D540;<sub><italic>N</italic></sub> and &#x01D539; &#x0003D; 0 (provided that unitary time frequency of <bold>&#x003F5;</bold> is prescribed). Indeed, if (25) is a solution to</p>
<disp-formula id="E55"><mml:math id="M68"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>then it is a solution also to</p>
<disp-formula id="E56"><mml:math id="M69"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and vice versa.</p>
<p>In general the two problems, &#x01D538; &#x0003D; 0 with &#x01D539; symmetric positive definite and &#x01D539; &#x0003D; 0 with &#x01D538; symmetric positive definite, are not equivalent. In fact, constraining the norm induced by one operator does not determine the norm induced by the other one, but only provides a bound. Indeed, denoting by &#x003BB;<sub><italic>min</italic></sub>(&#x000B7;) and &#x003BB;<sub><italic>max</italic></sub>(&#x000B7;) the minimum and maximum eigenvalue respectively, observe that, for <bold>&#x003F5;</bold>(<italic>t</italic>) like (25),</p>
<disp-formula id="E57"><mml:math id="M70"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and, analogously,</p>
<disp-formula id="E58"><mml:math id="M71"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>3. Results</title>
<sec>
<title>3.1. Continuous model: two examples of contraction waves</title>
<p>In this section we discuss two examples of contraction waves to illustrate the behavior of the <italic>p</italic>-model. We show that the parameter <italic>p</italic> determines the kind of motion: for <italic>p</italic> &#x0003C; 1 the motion is prograde (i.e., motion in the same direction as the one of the waves) while for <italic>p</italic>&#x0003E;1 the model reproduces an earthworm-like retrograde motion (i.e., motion in the opposite direction as the one of the waves).</p>
<p>For simplicity, in the following examples we neglect external forces, i.e., <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x02261;0.</p>
<sec>
<title>Smooth contraction wave</title>
<p>Consider a smooth traveling contraction wave by prescribing the strain along the body of the crawler as</p>
<disp-formula id="E59"><label>(26)</label><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>or equivalently, in terms of the stretch,</p>
<disp-formula id="E60"><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003F5;<sub>0</sub> is the wave amplitude, <italic>L</italic> is the reference length of the crawler and <italic>c</italic> is a parameter which modulates time frequency and it is assumed to be strictly positive, i.e., the wave travels toward the right. By integrating over space,</p>
<disp-formula id="E61"><mml:math id="M74"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and, by differentiating with respect to time,</p>
<disp-formula id="E62"><mml:math id="M75"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, in view of (5),</p>
<disp-formula id="E63"><mml:math id="M76"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>whence</p>
<disp-formula id="E64"><mml:math id="M77"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The Newtonian case is recovered by setting <italic>p</italic> &#x0003D; 0, i.e.,</p>
<disp-formula id="E65"><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> displays three numerical examples. For <italic>p</italic> &#x0003C; 1 and, in particular for <italic>p</italic> &#x0003D; 0, the case of Newtonian resistance, we always have prograde motion (i.e., motion in the same direction as the one of the waves). This is indeed observed for example in snails, although in this case the force-velocity laws that we use in this paper would not be fully adequate to capture the properties of the mucus present between the animal and the surface [non-Newtonian rheology, suction effects, see (Denny, <xref ref-type="bibr" rid="B6">1980</xref>) and (DeSimone et al., <xref ref-type="bibr" rid="B7">2013</xref>)]. For <italic>p</italic>&#x0003E;1 and, in particular, for the limit case <italic>p</italic> &#x0003D; &#x0221E; describing the perfect-grip/free-slip ideal version of the modulated friction laws typical of animals with setae, the motion is retrograde (i.e., motion in the opposite direction as the one of the waves). This is the behavior typically observed for earthworms.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Plot of <italic>x</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) for a smooth contraction wave (26) for selected values of parameter <italic>p</italic>. The other parameters are &#x003F5;<sub>0</sub> &#x0003D; 0.6, <italic>L</italic> &#x0003D; 1 and <italic>c</italic> &#x0003D; 1.5.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>Square contraction wave</title>
<p>Consider the square contraction wave</p>
<disp-formula id="E66"><label>(27)</label><mml:math id="M79"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>where&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>or equivalently, in terms of the stretch,</p>
<disp-formula id="E67"><mml:math id="M80"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>L</italic> is the reference length of the crawler, <italic>c</italic> is the wave speed, &#x003BE; is the measure of the interval where &#x003F5; &#x0003D; &#x003B4; and the subscript <sub>&#x0007E;<italic>L</italic></sub> denotes the &#x0201C;modulo <italic>L</italic>&#x0201D; operator (i.e., <italic>y</italic><sub>&#x0007E;<italic>L</italic></sub> stands for <italic>y</italic>mod<italic>L</italic>).</p>
<p>By integrating the stretch over space, we get</p>
<disp-formula id="E68"><mml:math id="M81"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>whence</p>
<disp-formula id="E69"><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>else</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, in view of (5),</p>
<disp-formula id="E70"><mml:math id="M83"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>c</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>~</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>otherwise</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E71"><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E72"><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Defining <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, it follows that</p>
<disp-formula id="E73"><mml:math id="M88"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0230A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0230B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0230A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0230B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0230A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0230B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x02003;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>else</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where {&#x000B7;} and &#x0230A;&#x000B7;&#x0230B; denote the fractional part and floor function respectively. The Newtonian case can be obtained as particular case by setting <italic>p</italic> &#x0003D; 0. Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> shows three numerical examples and, as for the smooth contraction wave, the motion is prograde or retrograde whether <italic>p</italic> &#x0003C; 1 or <italic>p</italic>&#x0003E;1, respectively.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Plot of <italic>x</italic><sub>1</sub>(t) for a square contraction wave (27) for selected values of parameter <italic>p</italic>. The other parameters are &#x003B4; &#x0003D; 0.6, <italic>L</italic> &#x0003D; 1, <italic>T</italic> &#x0003D; 0.5 and <italic>c</italic> &#x0003D; 1.5.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0005.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Discrete model: peristalsis as optimal gait</title>
<p>In the discrete framework, peristalsis is the result of phase coordination among the harmonic contractions of body segments, i.e., it has the form</p>
<disp-formula id="E74"><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo class="qopname">&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>T</italic> is the period, &#x003F1; is the amplitude and &#x00394;&#x003C6; is the constant phase difference. As for the continuous case, discrete peristalsis produces prograde or retrograde motions according to the value of the parameter <italic>p</italic> in (4).</p>
<p>In this section we work out explicitly the problem of maximizing the displacement for a particular case from which peristalsis emerges, modulo an <italic>edge-effect</italic>.</p>
<sec>
<title>Dissipation energy</title>
<p>Let us define an energy functional <italic>D</italic>:<italic>C</italic><sup>2</sup>(&#x0211D;, &#x0211D;<sup><italic>N</italic></sup>) &#x02192; &#x0211D; as</p>
<disp-formula id="E75"><mml:math id="M90"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E76"><mml:math id="M91"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>i.e., the energy cost is the time integral over a period of a dissipation rate which is sum of two terms: <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> times the energy expended to overcome the friction force and <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the cost of control weighted by a scalar factor <italic>w</italic>. <italic>D</italic>[<bold>&#x003F5;</bold>] is thus <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> times the sum of the work due to the friction force plus the <italic>L</italic><sup>2</sup>-norm of the controls suitably weighted to time the input direction.</p>
<p>Some calculations [see section 1 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">C</xref> (Supplementary Material)] lead to</p>
<disp-formula id="E77"><mml:math id="M96"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>D</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D53B;(<bold>&#x003F5;</bold>)&#x02208;&#x0211D;<sup><italic>N</italic>&#x000D7;<italic>N</italic></sup> for any <bold>&#x003F5;</bold>&#x02208;(&#x02212;1, &#x0002B;&#x0221E;]<sup><italic>N</italic></sup>, and</p>
<disp-formula id="E78"><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>I</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D540;<sub><italic>N</italic></sub> is the <italic>N</italic>-dimensional identity matrix. Therefore the energy functional is</p>
<disp-formula id="E79"><label>(28)</label><mml:math id="M98"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D53E;(<bold>&#x003F5;</bold>): &#x0003D; &#x01D53B;(<bold>&#x003F5;</bold>)&#x0002B;<italic>wI</italic><sub><italic>N</italic></sub>.</p>
</sec>
<sec>
<title>Non-linear optimal control problem</title>
<p>The non-linear optimization problem associated with energy functional (28) is</p>
<disp-formula id="E80"><label>(29)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The Euler-Lagrange equations lead to a second order non-linear system of ODEs, i.e., for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>,</p>
<disp-formula id="E81"><label>(30)</label><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x02131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, &#x003BB; is the Lagrange multiplier.</p>
</sec>
<sec>
<title>The small-deformation regime</title>
<p>In the regime of small deformations we can expand the terms of problem (29) at the leading orders about <bold>&#x003F5;</bold> &#x0003D; <bold>0</bold>. As before, the net displacement per time period can be approximated by</p>
<disp-formula id="E82"><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the energy functional by</p>
<disp-formula id="E83"><label>(31)</label><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D53E;: &#x0003D; &#x01D53E;(<bold>0</bold>). Hence, in the small-deformation regime, the problem fits the form (17)-(18) for &#x01D538; &#x0003D; 0 and &#x01D539; &#x0003D; &#x01D53E;. Moreover, <italic>G</italic> is bisymmetric (namely, symmetric about both of its diagonals) and depends only on <italic>N</italic>, <italic>L</italic> and <italic>w</italic>. Indeed</p>
<disp-formula id="E84"><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>[see section 2 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">C</xref> (Supplementary Material)]. Therefore a solution must be of the form (25)</p>
<disp-formula id="E85"><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The centrosymmetry of &#x01D53E; and the skew-centrosymmetry of &#x01D54D; imply a <italic>reflectional symmetry</italic> about the center [see section 3 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">B</xref> (Supplementary Material)], i.e.,</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>the moduli of components of <bold>e</bold> are symmetric about the center (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>), i.e.,
<disp-formula id="E86"><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p>phase differences between adjacent segments are symmetric about the center, i.e.,
<disp-formula id="E87"><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>so that the <italic>N</italic>-th phase differs from the (<italic>N</italic>&#x02212;1)-th one by the same amount by which the second phase differs from the first one and so on (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>).</p></list-item>
</list>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Plot of arguments and moduli of &#x003F5;<sub><italic>n</italic></sub> for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, 15: amplitudes, <bold>(A)</bold>, approximation by a IPD (Identical Phase Difference) model, <bold>(B)</bold>, and relative errors, <bold>(C)</bold>. Parameters: <italic>p</italic> &#x0003D; 100, <italic>w</italic> &#x0003D; 1, <italic>T</italic> &#x0003D; 1 and <italic>L</italic> &#x0003D; 1.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0006.tif"/>
</fig>
<p>Equation (25) shows that the optimal gait requires a precise &#x0201C;phase coordination&#x0201D; of locomotion patterns among the segments, which is a common observation in Biology for several kinds of animals.</p>
<p>Numerical simulations show that the optimal solution turns out to be a discrete approximation of a traveling wave. In particular,</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>the moduli of <italic>e</italic><sub><italic>n</italic></sub> for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic> can be approximated by a constant average value (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>), i.e.,
<disp-formula id="E88"><label>(32)</label><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x02003;constant</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>so that each segment undergoes a harmonic deformation with a certain initial phase;</p></list-item>
<list-item><p>phase differences between adjacent segments turn out to be almost constant, i.e., for a suitable &#x003C6;<sub>0</sub>
<disp-formula id="E89"><label>(33)</label><mml:math id="M109"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>holds true for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic> (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>).</p></list-item>
</list>
<p>Therefore, in view of (32) and (33), the solution is a discrete approximation of a continuous traveling wave, i.e.,</p>
<disp-formula id="E90"><mml:math id="M110"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is the midpoint of the <italic>n</italic>-th segment and</p>
<disp-formula id="E91"><mml:math id="M112"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>whence the canonical form of traveling wave which describes peristalsis (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>)</p>
<disp-formula id="E92"><label>(34)</label><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Plot of piecewise constant optimal strain <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: the value is determined by means of the color legend. Parameters: <italic>p</italic> &#x0003D; 100, <italic>w</italic> &#x0003D; 10, <italic>T</italic> &#x0003D; 1, <italic>L</italic> &#x0003D; 1; <italic>N</italic> &#x0003D; 25.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>The edge-effect</title>
<p>The symmetric structure of the optimal gait (in the small-deformation regime) arises from underlying physical symmetries which clearly stand out in the properties of the matrices &#x01D53E; and &#x01D54D;. In particular, an &#x0201C;edge-effect&#x0201D; is apparent: the 1D crawler is symmetric about its geometric center and segments near the edges behave differently with respect to adjacent segments, but in the same way as their centrosymmetric counterparts.</p>
<p>As expected, this edge-effect vanishes when considering an &#x0201C;infinite&#x0201D; (periodic) 1D crawler because, due to the shift-invariance symmetry, each segment behaves as a &#x0201C;geometric center.&#x0201D;</p>
<p>To show this claim consider a 1D crawler made up of infinitely many segments and assume that it is a periodic structure of which each module consists of <italic>N</italic> components (cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Kinematics of a discrete infinite 1D crawler consisting of identical segments of reference length <italic>L</italic>. <bold>(A)</bold> Reference configuration. <bold>(B)</bold> Current configuration.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0008.tif"/>
</fig>
<p>At any time t, we already defined the relative displacement <italic>u</italic>(&#x000B7;, <italic>t</italic>) as the change of position of the material point <italic>X</italic> in the body&#x00027;s reference, i.e.,</p>
<disp-formula id="E93"><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The hypothesis of periodicity leads to</p>
<disp-formula id="E94"><label>(35)</label><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From (35) we obtain that the friction force is periodic and we can consider the force balance in a single module. Therefore, condition (35) reads</p>
<disp-formula id="E95"><label>(36)</label><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and, in the discrete framework (9), this leads to</p>
<disp-formula id="E96"><label>(37)</label><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The optimal control problem becomes</p>
<disp-formula id="E97"><label>(38)</label><mml:math id="M121"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02227;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and it can be proved [see section 3 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">C</xref> (Supplementary Material)] that its solutions need to be like (22), where the complex <italic>N</italic>-dimensional vector <bold>e</bold> has the form</p>
<disp-formula id="E98"><label>(39)</label><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>e</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for some <italic>k</italic>&#x02208;{1, &#x02026;, <italic>N</italic>&#x02212;1} and <italic>e</italic><sub>1</sub>&#x02208;&#x02102;\{0}, cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>. In particular,</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>- each component of <bold>e</bold> has modulus &#x003F1;: &#x0003D; ||<italic>e</italic><sub>1</sub>||;</p></list-item>
<list-item><p>- each component can be obtained from the previous one by a rotation of <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> or, in other words, the phase difference between two consecutive components is constant, i.e., for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>
<disp-formula id="E99"><mml:math id="M124"><mml:mrow><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M125"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">arg</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>;</p></list-item>
</list>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Complex components of the vector <bold>e</bold> in the general case, <bold>(A)</bold>, and in the periodic one, <bold>(B)</bold>, for <italic>N</italic> &#x0003D; 8 segments. Parameters: <italic>p</italic> &#x0003D; 100, <italic>w</italic> &#x0003D; 10, <italic>T</italic> &#x0003D; 1, <italic>L</italic> &#x0003D; 1.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0009.tif"/>
</fig>
<p>whence the exact harmonic peristalsis.</p>
<p>Notice that problem (38) can be written in terms of relative displacements <italic>u</italic><sub><italic>n</italic></sub> through the periodic version of transformation (15), i.e.,</p>
<disp-formula id="E100"><label>(40)</label><mml:math id="M127"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E101"><label>(41)</label><mml:math id="M128"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In particular, we get</p>
<disp-formula id="E102"><label>(42)</label><mml:math id="M129"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E103"><mml:math id="M130"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>are <italic>circulant</italic> matrices (namely, Toeplitz matrices where each row vector is rotated one element to the right relative to the preceding row vector), thus reflecting the geometric symmetry of the periodic structure, namely, the <italic>shift-invariance</italic>.</p>
<p>Considering the general (i.e., non-periodic) problem in terms of relative displacements yields</p>
<disp-formula id="E104"><mml:math id="M131"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E105"><mml:math id="M132"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>are &#x0201C;<italic>quasi-circulant</italic>&#x0201D; matrices indeed</p>
<disp-formula id="E106"><mml:math id="M133"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>E</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant='double-struck'>G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant='double-struck'>E</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x01D53C;<sub><italic>V</italic></sub> and &#x01D53C;<sub><italic>G</italic></sub> are null a part from the last column and the last row, i.e.,</p>
<p><inline-graphic xlink:href="frobt-05-00099-i0001.tif"/></p>
<p>and</p>
<p><inline-graphic xlink:href="frobt-05-00099-i0002.tif"/></p>
<p>where <italic>a</italic> &#x0003D; 2<italic>L</italic><sup>3</sup>(3&#x02212;<italic>N</italic>)&#x0002B;12<italic>Nw</italic> and <italic>b</italic> &#x0003D; <italic>L</italic><sup>3</sup>(9&#x02212;4<italic>N</italic>)&#x02212;12<italic>Nw</italic>.</p>
</sec>
<sec>
<title>Wavenumber</title>
<p>In the &#x0201C;periodic case&#x0201D; we can study the wavenumber (that is the number of waves travelling along the body of the crawler) of the optimal gait in relation to the number of metameres <italic>N</italic> and to the weight <italic>w</italic>. We fix the dissipation</p>
<disp-formula id="E107"><mml:math id="M134"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and we let <italic>w</italic> vary from 0 to 10<sup>2</sup> for <italic>N</italic>&#x02208;[3, 250] (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10</xref>). As shown in Section 3 in Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">C</xref> (Supplementary Material), the wavenumber of the optimal gait must be an integer close to the real number <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">arccos</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and hence, for any fixed <italic>N</italic>, it depends on the order of magnitude of the weight <italic>w</italic> and</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>for <italic>w</italic> &#x02192; &#x0221E;, it tends to 1, corresponding to a single wave spanning the whole length <italic>NL</italic>;</p></list-item>
<list-item><p>for <italic>w</italic> &#x0003D; 0, it is close to <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, i.e., one full wave-length every three segments.</p></list-item>
</list>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Wavenumber of optimal gaits as a function of <italic>N</italic> and <italic>w</italic>. The axis of <italic>w</italic>&#x02208;[0, 100] is plotted on a log-scale with base 10. The color-bar gives the wavenumber. <italic>L</italic> &#x0003D; 1 and <italic>N</italic>&#x02208;[3, 250].</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0010.tif"/>
</fig>
<p>This behavior is qualitatively unaffected by the type of friction model which is adopted (i.e., by the choice of the parameter <italic>p</italic>).</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s4">
<title>4. Discussion</title>
<sec>
<title>4.1. Comparison with previous studies</title>
<p>To put our study in perspective, we consider the discrete framework and we compare our results with the ones presented by Fang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>). Here the authors perform an optimization of the so-called &#x0201C;average steady-state velocity&#x0201D; <italic>u</italic><sub><italic>s</italic></sub> among harmonic shape functions having the form (in our notation)</p>
<disp-formula id="E108"><label>(43)</label><mml:math id="M137"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02003;for&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the oscillation amplitude, <italic>T</italic> is the period and &#x003B7;<sub><italic>n</italic></sub> is the actuation phase for the <italic>n</italic>-th segment (or actuator).</p>
<p>Since the average steady-state velocity is given by</p>
<disp-formula id="E109"><label>(44)</label><mml:math id="M139"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>the optimization problem reads</p>
<disp-formula id="E110"><label>(45)</label><mml:math id="M140"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and in the small-deformation regime it can be replaced by</p>
<disp-formula id="E111"><label>(46)</label><mml:math id="M141"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Denote the actuation phase differences between adjacent segments by</p>
<disp-formula id="E112"><mml:math id="M142"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;for&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From observations of numerical simulations, Fang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>) report that &#x0201C;[&#x02026;] <italic>the optimized phase-different patterns are always reflectionally symmetric</italic> [about the center, Ed.] <italic>regardless of the initial symmetry requirements</italic> [&#x02026;]&#x0201D; and of the number of segments. Thus, a solution to (45) fulfills</p>
<disp-formula id="E113"><label>(47)</label><mml:math id="M143"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In fact these properties can be rigorously proved under the assumption that problem (45) admits a unique solution in [0, 2&#x003C0;)<sup><italic>N</italic></sup> (see Appendix <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">D</xref> in Supplementary Material).</p>
<p>Furthermore, property (47) can be proved also for (46), assuming it admits a unique solution in [0, 2&#x003C0;)<sup><italic>N</italic></sup>. To this aim, denote the unique solution to (46) by</p>
<disp-formula id="E114"><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and consider the shape change <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> associated with</p>
<disp-formula id="E115"><mml:math id="M146"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E116"><mml:math id="M147"><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>1</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>1</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>0</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Notice that for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>N</italic>,</p>
<disp-formula id="E117"><mml:math id="M148"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and hence, by exploiting the fact that <italic>V</italic> is skew-centrosymmetric (namely, &#x01D542;<sup><italic>T</italic></sup>&#x01D54D;&#x01D542; &#x0003D; &#x02212;&#x01D54D;),</p>
<disp-formula id="E118"><mml:math id="M149"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus</p>
<disp-formula id="E119"><mml:math id="M150"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>K</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which leads to (47).</p>
<p>Problem (46) constrains the <italic>L</italic><sup>2</sup>-norm of the time-derivatives, i.e., for strains having the form (43) we get</p>
<disp-formula id="E120"><mml:math id="M151"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>regardless of <bold>&#x003B7;</bold>. Therefore we can extend the maximization to the <italic>C</italic><sup>2</sup> periodic strains whose time derivative fulfills the same constraint, i.e.,</p>
<disp-formula id="E121"><label>(48)</label><mml:math id="M152"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>V</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant='script'>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02227;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since problem (21) reduces to (48) when &#x01D538; &#x0003D; 0 and &#x01D539; &#x0003D; &#x01D540;<sub><italic>N</italic></sub>, a solution to (48) must be of the form</p>
<disp-formula id="E122"><label>(49)</label><mml:math id="M153"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msqrt><mml:mi>N</mml:mi></mml:msqrt><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D1;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>e</bold> &#x0003D; (<sub><italic>e</italic><sub><italic>n</italic></sub>)<italic>n</italic></sub> is a unit eigenvector associated with the maximum-modulus eigenvalue of <italic>V</italic> and &#x003D1;<sub><italic>a</italic></sub> is a constant. Notice that the <italic>reflectional symmetry</italic> about the center still holds true. As a matter of fact, (49) leads to a slight increment in the net displacement with respect to the solution to (46), cf. Figure <xref ref-type="fig" rid="F11">11</xref>.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Average velocities <italic>u</italic><sub><italic>s</italic></sub>, (44) obtained by the solution <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003F5;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to (46) (blue bars) and by the solution &#x003F5;<sup>&#x022C6;</sup> to (48) (yellow bars) for different numbers of segments: <italic>N</italic> &#x0003D; 25, 50, 100, 150, 200. <bold>(A)</bold> is for <italic>p</italic> &#x0003D; 0 (Newtonian case) and <bold>(B)</bold> for <italic>p</italic> &#x0003D; 100. The other parameters are <italic>T</italic> &#x0003D; 2&#x003C0;, <italic>a</italic> &#x0003D; 2<sup>&#x02212;10</sup>, <italic>L</italic> &#x0003D; 1.</p></caption>
<graphic xlink:href="frobt-05-00099-g0011.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Summary and outlook</title>
<p>Our analysis confirms the effectiveness of mimicking peristalsis in bio-inspired robots, at least in the small-deformation regime. This bio-inspired actuation strategy has been implemented on a trial-and-error basis many times in the robotics literature and, more recently, also proposed as optimal (in some suitably defined sense, and in some suitably defined class of actuation strategies). Our main result is a mathematically rigorous proof that, in the small deformation regime, actuation by peristaltic waves is an optimal control strategy emerging naturally from the geometric symmetry of the system, namely, the invariance under shifts along the body axis. This is true exactly in the periodic case, and approximately true in the case of finite length, modulo edge-effects. Our results is of theoretical nature. Nevertheless, we believe that it has important consequences for applications. For example, it helps us not to fall into the naive temptation to expect that peristaltic waves are always an optimal actuation strategy just because they are observed in nature, but to exercise critical judgment whenever the hypotheses on the geometric symmetry that are &#x0201C;responsible&#x0201D; for the optimality result in our case (invariance under shift of a homogeneous one-dimensional system) are false.</p>
<p>Actuation by phase coordination, optimal actuation by identical phase difference, and the connections between this and traveling waves have been already discussed in the literature (e.g., Fang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2015</xref>), but never through a mathematically rigorous analysis of the optimal control problem, of the symmetry properties of the governing equations and operators, and of the relation between these and the geometric symmetries of the system. This is exactly what we do in this paper. The added value of this analysis is that we are able to show (for the first time, to the best of our knowledge, at least in the robotics literature) that peristaltic waves are the signature of the invariance with respect to shifts (a geometric symmetry) of a homogeneous one-dimensional system.</p>
<p>Further work will be needed to test the effectiveness of peristaltic waves as a locomotion strategies if large deformations are allowed. In addition, future work will explore the issue of how peristalsis is actually enforced in biological systems. Of particular interest is the dichotomy between the paradigm of actuations via a Central Pattern Generator (CPG), as opposed to local sensory and feedback mechanisms. The CPG paradigm is apparent in several different organisms (Marder and Bucher, <xref ref-type="bibr" rid="B17">2001</xref>; Grillner, <xref ref-type="bibr" rid="B15">2006</xref>) and has been employed in robotics with some success (Ijspeert, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2008</xref>; Boxerbaum et al., <xref ref-type="bibr" rid="B2">2012</xref>). However, there is a growing awareness of the role played by proprioception, especially for lower organisms such as the nematode worm <italic>C. elegans</italic> (Boyle et al., <xref ref-type="bibr" rid="B3">2012</xref>; Wen et al., <xref ref-type="bibr" rid="B26">2012</xref>) and <italic>D. melanogaster</italic> larvae (Pehlevan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B21">2016</xref>).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Author contributions</title>
<p>AD and FA conceived research. DA executed research and performed numerical simulation. AD supervised research. FA contributed expertise on circulant matrices. All authors analyzed the data and wrote the manuscript.</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest. The handling Editor declared a shared affiliation, though no other collaboration, with one of the authors, AD.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>This article was written while DA and AD where visiting Division C of the Engineering Department of the University of Cambridge. We thank Prof. Vikram Deshpande and Corpus Christi College for their warm hospitality.</p>
</ack>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s6">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2018.00099/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2018.00099/full#supplementary-material</ext-link></p>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Alberts</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Johnson</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Lewis</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Raff</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <source>Molecular Biology of the Cell</source>, <edition>4th Edn.</edition> <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Garland Science</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boxerbaum</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Shaw</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Chiel</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Quinn</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Continuous wave peristaltic motion in a robot</article-title>. <source>Int. J. Robot. Res.</source> <volume>31</volume>, <fpage>302</fpage>&#x02013;<lpage>318</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/0278364911432486</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boyle</surname> <given-names>J. H.</given-names></name> <name><surname>Berri</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Cohen</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Gait modulation in c. elegans: an integrated neuromechanical model</article-title>. <source>Front. Comput. Neurosci.</source> <volume>6</volume>:<fpage>10</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2012.00010</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22408616</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Collar</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1962</year>). <article-title>On centrosymmetric and centroskew matrices</article-title>. <source>Q. J. Mechan. Appl. Math.</source> <volume>15</volume>, <fpage>265</fpage>&#x02013;<lpage>281</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/qjmam/15.3.265</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Daltorio</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Boxerbaum</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Horchler</surname> <given-names>A. S.</given-names></name> <name><surname>Shaw</surname> <given-names>K. M.</given-names></name> <name><surname>Chiel</surname> <given-names>H. J.</given-names></name> <name><surname>Quinn</surname> <given-names>R. D.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Efficient worm-like locomotion: slip and control of soft-bodied peristaltic robots</article-title>. <source>Bioinspir. Biomimet.</source> <volume>8</volume>:<fpage>035003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1748-3182/8/3/035003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23981561</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Denny</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>1980</year>). <article-title>The role of gastropod pedal mucus in locomotion</article-title>. <source>Nature</source> <volume>285</volume>:<fpage>160</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/285160a0</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>DeSimone</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Guarnieri</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Noselli</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tatone</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Crawlers in viscous environments: linear vs non-linear rheology</article-title>. <source>Int. J. Non Linear Mech.</source> <volume>56</volume>, <fpage>142</fpage>&#x02013;<lpage>147</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2013.02.007</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>DeSimone</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Tatone</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Crawling motility through the analysis of model locomotors: two case studies</article-title>. <source>Eur. Phys. J. E Soft Matt. Biol. Phys.</source> <volume>35</volume>, <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epje/i2012-12085-x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22972227</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Edwards</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Hendrix</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Arancon</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <source>Biology and Ecology of Earthworms</source>. <publisher-name>Springer</publisher-name>. Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.springer.com/in/book/9780387749426">https://www.springer.com/in/book/9780387749426</ext-link></citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fang</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>K. W.</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Phase coordination and phase&#x02013;velocity relationship in metameric robot locomotion</article-title>. <source>Bioinspir. Biomimet.</source> <volume>10</volume>:<fpage>066006</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1748-3190/10/6/066006</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gardner</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>1976</year>). <article-title>The neuronal control of locomotion in the earthworm</article-title>. <source>Biol. Rev.</source> <volume>51</volume>, <fpage>25</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1469-185X.1976.tb01119.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">766843</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Garrey</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Moore</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1915</year>). <article-title>Peristalsis and coordination in the earthworm</article-title>. <source>Am. J. Physiol. Legacy Cont.</source> <volume>39</volume>, <fpage>139</fpage>&#x02013;<lpage>148</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/ajplegacy.1915.39.2.139</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ge</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Calder&#x000F3;n</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>P&#x000E9;rez-Arancibia</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>An earthworm-inspired soft crawling robot controlled by friction</article-title>. <source>arXiv [preprint] arXiv:1707.04084</source>.</citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gray</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Lissmann</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>1938</year>). <article-title>Studies in animal locomotion: Vii. locomotory reflexes in the earthworm</article-title>. <source>J. Exp. Biol.</source> <volume>15</volume>, <fpage>506</fpage>&#x02013;<lpage>517</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Grillner</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Biological pattern generation: the cellular and computational logic of networks in motion</article-title>. <source>Neuron</source> <volume>52</volume>, <fpage>751</fpage>&#x02013;<lpage>766</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuron.2006.11.008</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17145498</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ijspeert</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Central pattern generators for locomotion control in animals and robots: a review</article-title>. <source>Neural Netw.</source> <volume>21</volume>, <fpage>642</fpage>&#x02013;<lpage>653</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neunet.2008.03.014</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18555958</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Marder</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Bucher</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Central pattern generators and the control of rhythmic movements</article-title>. <source>Curr. Biol.</source> <volume>11</volume>, <fpage>R986</fpage>&#x02013;<lpage>R996</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0960-9822(01)00581-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11728329</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>McInerney</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <source>First Steps in Differential Geometry: Riemannian, Contact, Symplectic</source>. Undergraduate Texts in Mathematics. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Menciassi</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Accoto</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Gorini</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Dario</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Development of a biomimetic miniature robotic crawler</article-title>. <source>Auton. Robots</source> <volume>21</volume>, <fpage>155</fpage>&#x02013;<lpage>163</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10514-006-7846-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nemitz</surname> <given-names>M. P.</given-names></name> <name><surname>Mihaylov</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Barraclough</surname> <given-names>T. W.</given-names></name> <name><surname>Ross</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Stokes</surname> <given-names>A. A.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Using voice coils to actuate modular soft robots: wormbot, an example</article-title>. <source>Soft Robot.</source> <volume>3</volume>, <fpage>198</fpage>&#x02013;<lpage>204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1089/soro.2016.0009</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28078195</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pehlevan</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Paoletti</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Mahadevan</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Integrative neuromechanics of crawling in <italic>D. melanogaster</italic> larvae</article-title>. <source>Elife</source> <volume>5</volume>:<fpage>23</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.11031</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Quillin</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Kinematic scaling of locomotion by hydrostatic animals: ontogeny of peristaltic crawling by the earthworm lumbricus terrestris</article-title>. <source>J. Exp. Biol.</source> <volume>202</volume>, <fpage>661</fpage>&#x02013;<lpage>674</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">10021320</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Umedachi</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Kano</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Ishiguro</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Trimmer</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Gait control in a soft robot by sensing interactions with the environment using self-deformation</article-title>. <source>R. Soc. Open Sci.</source> <volume>3</volume>:<fpage>160766</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsos.160766</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28083114</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Van Brunt</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <source>The Calculus of Variations</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Yan</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Ye</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>An earthworm-like robotic endoscope system for human intestine: design, analysis, and experiment</article-title>. <source>Anna. Biomed. Eng.</source> <volume>37</volume>, <fpage>210</fpage>&#x02013;<lpage>221</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-008-9597-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19003537</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wen</surname> <given-names>Q.</given-names></name> <name><surname>Po</surname> <given-names>M. D.</given-names></name> <name><surname>Hulme</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Kwok</surname> <given-names>S. W.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2012</year>). <article-title>Proprioceptive coupling within motor neurons drives c. elegans forward locomotion</article-title>. <source>Neuron</source> <volume>76</volume>, <fpage>750</fpage>&#x02013;<lpage>761</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuron.2012.08.039</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23177960</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wiezel</surname> <given-names>O.</given-names></name> <name><surname>Giraldi</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>DeSimone</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Or</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Alouges</surname> <given-names>F.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Energy-optimal small-amplitude strokes for multi-link microswimmers: Purcell&#x00027;s loops and taylor&#x00027;s waves reconciled</article-title>. <source>arXiv [preprint] arXiv:1801.04687</source>.</citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> We gratefully acknowledge the financial support of the European Research Council through the Advanced Grant 340685-MicroMotility.</p></fn>
</fn-group>
</back>
</article>