Modelling the Mechanics and Hydrodynamics of Swimming E. coli
研究了E.将细菌的分子动力学模拟与包埋流体的多粒子碰撞动力学方法相结合，对大肠杆菌型模型细菌进行了细观流体动力学模拟研究。该细菌由球形圆柱体和附着的螺旋鞭毛组成，由离散颗粒组成，用于与流体有效耦合。我们测量了细菌的流体动力学摩擦系数，并发现定量与实验结果的游泳E。杆菌细菌的流场在游动平面上呈力偶极型，在垂直于游动方向的方向上有两个旋涡，这是由于菌体和鞭毛的反向旋转引起的。通过与力偶极和Rotlet偶极流场的比较，我们提取了细菌的力偶极和Rotlet偶极强度，并发现细胞体和鞭毛的反向旋转对于描述细菌的近场流体动力学是必不可少的。
2015-08-04 cond-mat.soft
Tuning the random walk of active colloids
像游动的细菌或自推进的胶体这样的活性粒子，可以自发地组织成迷人的大尺度动态结构。这些集体状态从单个粒子的运动模式（通常是随机行走）中出现，还有待于在一个定义明确的合成系统中进行探索。在这里，我们报告间歇性胶体运动的实验实现，再现了许多游泳和群集细菌常见的运行和翻滚和利维轨迹。我们的策略使定制的序列重复的“运行”（近恒速直线平移）和“翻滚”（看似不稳定的转弯），以模仿任何随机行走。这种在微尺度上主动运动的新范例为主动悬浮中出现的集体动力学的实验探索开辟了新的机会。我们发现，这些随机步行者的人口表现出的行为，让人想起细菌悬浮液，如动态集群和中尺度的顺从性一样的流。
2019-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Swimming against a superfluid flow: Self-propulsion via vortex-antivortex shedding in a quantum fluid of light
Universidade do Porto and INESC TEC, Centre of Applied Photonics（波尔图大学与INESEC TEC应用光子学中心）
研究通过光子量子流体中的涡旋-反涡旋脱落实现杂质逆流自推进，揭示了量子流体能量耗散与主动物质系统自推进之间的联系。
2025-12-09 cond-mat.quant-gas cond-mat.soft quant-ph
Self-organized Beating and Swimming of Internally Driven Filaments
我们研究了一个简单的二维模型的内部产生的应力的弹性细丝的运动，并表明，波状传播形状，可以推动细丝可以诱导通过一个自组织的机制，通过动态不稳定性。由此产生的运动模式并不取决于微观机制的不稳定性，但只有丝刚度和流体动力学摩擦。我们的研究结果表明，简化的系统，仅由分子马达和细丝可能能够显示殴打运动和自我推进。
1998-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physics of Microswimmers - Single Particle Motion and Collective Behavior
微生物在流体中的运动和运输是生命的一个重要方面。寻找食物，对光的定位，后代的传播，以及殖民地的形成，只有通过运动才有可能。在微尺度下的游动发生在低雷诺数下，其中流体摩擦和粘度超过惯性。在这里，进化实现了克服甚至利用阻力的推进机制。突出的推进机制是许多细菌利用的旋转螺旋鞭毛，以及精子和藻类利用的真核鞭毛的蛇状或鞭子状运动。对于人工微泳者，可以采用将化学能或热转换成定向运动的替代概念，这可能更有效。微型游泳者的动力学包括许多方面，这些方面都是实现运动所必需的。在这篇文章中，我们回顾了生物和人工合成的微型游泳者的运动物理，以及它们的集合体的集体行为。从个体微型游泳者出发，我们描述了生物和合成系统的各种推进机制，并解决游泳的流体动力学方面。这包括鞭毛和纤毛的同步和协调跳动。此外，游泳行为旁边的表面进行了检查。最后，讨论了有无水动力相互作用时各向同性和各向异性游泳者的集体和合作现象。
2014-12-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Frustrated run and tumble of swimming E-coli bacteria in nematic liquid crystals
在许多情况下，细菌在复杂的环境中移动，例如在土壤，海洋或人类肠道微生物组中。在这些自然环境中，载液如粘液或生殖液显示出与非牛顿流变学相关的复杂结构。由于自然环境的固有复杂性，关于在这种环境中航行的能力的许多基本问题仍然没有解决。近年来，游动细菌与液晶的相互作用引起了人们的广泛关注。在这些结构化流体中，细菌运动的动力学受到液晶（或指向矢场）的取向分子顺序的约束，并且新颖的时空图案产生于这种取向约束以及与拓扑缺陷的相互作用。到目前为止，一个尚未解决的问题是细菌如何能够在这样的环境中改变游泳方向。本文研究了单个细菌E.大肠杆菌，被限制为沿着局限于平面单元的溶致发色液晶（LCLC）的指向矢场移动。在这样的环境中，细菌自发的奔跑和翻滚运动受到阻碍：液晶的弹性阻止鞭毛散开。有趣的是，为了改变方向，细菌沿着指向矢场执行反向运动，由单个鞭毛重新定位到细菌身体的另一侧驱动，被称为受挫翻滚。我们利用双色拉格朗日跟踪技术获得的游泳过程中细菌和鞭毛动态的特殊空间和时间分辨率，对这种现象进行了详细的实验表征。我们提出了一个可能的机制背后的挫折运行和翻滚运动，占这些意见。
2022-06-21 cond-mat.soft
Probing molecular-motor forces driving Chlamydomonas gliding motility by holographic microscopy
Univ. Bordeaux, CNRS（波尔多大学，法国国家科学研究中心）；University of Bayreuth（拜罗伊特大学）
通过结合全息显微镜和统计推断，研究绿藻滑行运动中纤毛动态的异常扩散特征及分子马达力的推断。
2026-09-30 cond-mat.soft
Self-propulsion of a light-powered microscopic crystalline flapper in water
该研究首次实现光驱动微晶在水中的定向自推进，并通过数学模型揭示晶体鳍的变形差异决定其拉式或推式游动方向。
2021-11-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft nlin.AO
The effect of axisymmetric confinement on propulsion of a three-sphere microswimmer
本研究采用三球微型游泳者模型，通过理论分析与有限元数值模拟，发现在毛细管轴对称限制下，当管径与球径比在 $\mathcal{O}(1)-\mathcal{O}(10)$ 范围时推进速度显著降低，揭示了限制下减弱的流体动力学相互作用对推进的阻碍作用。
2023-07-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rotational Dynamics and Angular Locking of Nanoparticles at liquid Interfaces
通过分子动力学模拟研究了纳米粒子在两种不混溶液体界面上的不同表面形貌。所采用的方法使我们能够计算在不同的角度取向的纳米粒子的界面自由能。由于它们的原子性质，所研究的纳米颗粒呈现出微观尺度和宏观尺度的几何特征，并且不能被准确地建模为完全光滑的主体（例如，球体、圆柱体）。在某些物理条件下，微尺度特征可以产生比周围介质的热能大得多的自由能势垒。这些能量势垒的存在可以有效地将颗粒“锁定”在相对于液-液界面的特定角取向。这项工作提供了新的见解布朗粒子在液体界面的旋转动力学，并提出了可能的策略，利用微尺度功能与给定的几何特征的影响。
2013-10-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Synthetic Mechanochemical Molecular Swimmer
提出了一种基于机械化学推进机制的分子游泳器的最小设计。当分子的特定部分通过涉及离子组分的催化化学反应暂时获得净电荷时，静电致动诱导构象变化。机械化学循环被设计成使得所产生的构象变化足以实现低雷诺数推进。最近开发的框架内的随机游泳者考虑到在分子尺度上的嘈杂环境中的系统进行了分析。根据酶促反应中的Michaelis-Menten规则，发现该装置的游泳速度取决于燃料分子的浓度。
2010-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Enhanced diffusion of tracer particles in dilute bacterial suspensions
游动的细菌产生长距离的速度场，搅拌大量的流体，并围绕分散在流体中的被动颗粒移动。最近的实验和模拟表明，长时间的均方位移的被动粒子在浴中的游泳细菌表现出扩散行为的有效扩散系数显着大于其热对应。这种有效扩散系数的全面理论预测和增强机制的理解仍然是一个挑战。在这里，我们采用Lin等人的动力学理论，J.Fluid Mech.669，167（2011）针对细菌情况的“蠕动者”开发，以定量地预测示踪剂颗粒在游动细菌的稀释的二维和三维悬浮液中的增强的扩散率。我们证明，有效扩散系数是一个产品的细菌数密度，他们的游泳速度，一个几何因素表征的速度场由一个单一的细菌，和一个数值因子。我们表明，数值因子是，事实上，一个相当强大的功能的系统参数，最显着的运行长度的细菌，这些依赖关系必须考虑到定量预测增强扩散。我们进行分子动力学类型的模拟，以确认动力学理论的结论。我们的结果是在最近的二维和三维实验中测得的增强扩散系数的值在一个很好的协议。
2013-08-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Motility and pair-wise interactions of chemically active droplets in 1-D confinement
本文实验研究方形毛细管中自推进 5CB 液滴的一维个体与成对运动，揭示 PEO、甘油等改变 Péclet 数时，约束诱导的化学场变化如何影响运动及追逐、散射等相互作用。
2024-01-20 cond-mat.soft
Molecular shear heating and vortex dynamics in thermostatted two-dimensional Yukawa liquids
众所周知，二维大尺度剪切流易受不稳定性的影响，从而产生大尺度涡结构。在强耦合介质中，这种大尺度流动的线性和非线性命运是一个基本问题。强耦合介质的一个流行的例子是尘埃等离子体，通常被建模为汤川液体。最近，实验室实验和MD研究的剪切流在强耦合汤川液体，表明发生强烈的分子剪切加热，这是发现，以指数方式降低耦合强度导致破坏的宏观涡。为了理解经历宏观剪切流动和分子剪切加热的强耦合分子流体的涡旋动力学，已经进行了MD模拟，其允许宏观涡旋动力学演变，而同时“移除”微观产生的热而不使用速度自由度。我们证明，通过使用一种新的方式配置恒温器，剪切流产生的微尺度热可以有效地恒温，而不影响大尺度涡动力学。在目前的工作中，使用MD模拟，在汤川液体中存在和不存在的分子或微观加热的剪切流演化的比较研究提出了一个原型剪切流，即Kolmogorov流。
2016-05-21 cond-mat.soft physics.plasm-ph
Molecular dynamics simulation of thermal transport across solid/liquid interface created by meniscus
了解固体/液体界面上的热传递对于开发新的途径以改善各种能源应用中的热管理非常重要。在这种情况下出现的重要问题之一是在纳米尺度上的热通量的扰动的固体，液体和气体之间的三相接触线的影响。因此，本文致力于研究两个固体壁面之间的纳米弯月面的热输运特性。采用分子动力学方法，通过改变基片原子与液体间的相互作用势，研究了弯月面的不同润湿状态。还研究了弯月面尺寸对两个固体壁之间能量交换的影响。结果表明，三相接触线的存在，导致之间的固液界面的边界电阻下降。此外，与有限元方法的调查被用来链接原子模拟与连续介质力学。我们表明，润湿角和界面边界电阻是所需的关键参数进行多尺度模拟这样的工程问题与精确的微观参数化。
2021-10-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
Controlled propulsion and separation of helical particles at the nanoscale
控制纳米和微米级物体在流体环境中的运动是设计优化的微型机器的关键因素，这些机器执行机械任务，例如在细胞中运输药物或遗传物质，流体混合以加速化学反应，以及在微流体芯片中运输货物。定向运动是通过非对称粒子的平移和旋转运动的耦合而实现的。当前在纳米尺度上实现定向和受控运动的挑战在于克服由于流体中的热波动引起的随机布朗运动。我们使用混合晶格玻尔兹曼分子动力学方法与充分的流体动力学相互作用和热波动，以证明在水性环境中的控制推进的个人nanohelices是可能的。我们优化的推进速度和效率的外部驱动nanohelices。我们通过计算不同形状、匝数和螺距的螺旋的Péclet数来量化热效应对定向运动的重要性。与手性物体的实验微尺度分离相一致，我们的研究结果表明，在Péclet数$>10$的热波动的存在下，手性粒子根据其手性和所施加的扭矩的方向，使手性粒子的分离在纳米级的传播方向。我们的研究结果提供了标准的设计和控制的螺旋机器在纳米级。
2017-01-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Green Algae as Model Organisms for Biological Fluid Dynamics
在过去的十年中，volvocine绿藻，从单细胞$Chlamydomonas$到多细胞$Volvox$，已经成为生物流体动力学中许多问题的模式生物。这些包括鞭毛推进，营养吸收的游泳生物，介导的墙壁，集体动力学和运输悬浮液内的microswimmer，趋光性的机制，和随机动力学的鞭毛同步的流体动力学的相互作用。绿藻非常适合研究这些问题，因为它们的大小范围（从10 $μ$ m到几毫米），它们的几何规则性，它们可以培养的容易性以及许多突变体的可用性，这些突变体允许分子细节和生物体水平行为之间的联系。本文综述了这些最新的发展，并强调了有前途的未来方向，在生物流体动力学的研究，特别是在进化生物学的背景下，可以利用这些显着的生物体。
2014-09-08 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
MLMOD: Machine Learning Methods for Data-Driven Modeling in LAMMPS
University of California Santa Barbara（加州大学圣巴巴拉分校）
MLMOD是一个软件包，将神经网络等机器学习方法整合到LAMMPS微观力学和分子动力学模拟中，用于学习系统动力学、相互作用及特征的数据驱动模型。
2023-10-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cs.LG
Meso-scale turbulence in living fluids
湍流无处不在，从洋流到小规模的生物和量子系统。微生物悬浮液中的自维持湍流运动是最简单的生命形式中集体动力学行为的一个有趣的例子，对于微尺度上的流体混合和分子输运非常重要。在活跃的非平衡流体中的湍流现象的数学表征证明甚至比传统的液体或气体更困难。目前还不知道生命物质中湍流相的哪些特征是普遍的或系统特异性的，或者纳维-斯托克斯方程的哪些推广能够充分描述它们。在这里，我们结合实验，粒子模拟和连续介质理论，以确定在主动系统中的自持中尺度湍流的统计特性。为了研究维度和边界条件如何影响集体细菌动力学，我们测量了密集的枯草芽孢杆菌悬浮液中的准二维和三维几何形状的能谱和结构函数。我们的实验结果的细菌流量统计数据吻合良好的预测从一个极小模型自推进棒，这表明在高浓度的细菌的集体运动是由短程相互作用为主。为了给今后的理论研究提供基础，我们提出了一个不可压缩细菌流动的最小连续介质模型。详细的数值分析表明，该理论可以重现许多实验观察到的自持主动湍流的功能。
2012-08-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Propulsion by passive filaments and active flagella near boundaries
限制和壁效应是影响游泳微生物的运动学和推进特性的已知因素。当固体以恒定速度被拖曳通过粘性流体时，壁的存在增加了流体阻力，因此保持速度所需的净力必须增加。相反，最近的光学捕获实验表明，人类精子产生的推进力会因边界的存在而降低。在这里，我们使用一系列简单的模型来解析阐明被动驱动的细丝和模型鞭毛的固体边界的推进效果。对于被动的柔性长丝定期致动在一端，壁的存在下示出的位移驱动的致动的情况下，增加由长丝产生的推进力，而它减少了力驱动的致动的情况下的力。在活性细丝作为真核生物鞭毛模型的情况下，我们证明了固体壁影响推进的方式不能先验地知道，而是鞭毛频率、波长、其材料特性、分子马达自组织产生振荡的方式的非平凡函数（规定的活动模型或自组织轴丝跳动模型），和边界条件实验应用于栓系鞭毛。特别是，我们表明，在某些情况下，由壁引起的流体摩擦力的增加可以导致鞭毛所表示的波形的变化，从而导致其推进力的减少。
2010-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
