Swimming at Low Reynolds Number in Fluids with Odd (Hall) Viscosity
我们应用几何理论的游泳在低雷诺数的研究近圆形游泳者在二维流体与非零霍尔，或“奇”，粘度。霍尔粘度对流体应力张量有非对角贡献，这导致了许多惊人的效果。特别是，我们发现，游泳者的面积是变化的，将经历一个扭矩成比例的面积的变化率，与奇数粘度的系数$η^o$给出的比例常数。在对一类简单的游泳者在具有霍尔粘度的流体中游泳的一般理论进行研究之后，我们给出了一些游泳的例子，这些例子清楚地表明了在具有常规粘度的流体中游泳和在也具有霍尔粘度的流体中游泳之间的差异。更多的技术成果，包括更一般的形状的游泳运动员的扭矩面积关系的证明，在一组附录中解释。
2013-10-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Force and torque-free helical tail robot to study low Reynolds number microorganism swimming
螺旋推进被许多微生物用于在粘性占主导地位的环境中游泳。它们的游泳动力学是比较好的理解，但详细的流场和驱动机制的研究仍然需要实现壁效应和流体动力学的相互作用。在这封信中，我们描述了一个自主游泳机器人与螺旋尾巴，在斯托克斯政权的发展。该装置使用一个基于电池的动力系统，带有一个微型电机，该电机将旋转速度施加到螺旋形尾部。速度、方向和激活由红外线遥控电子控制。由于机器人约5厘米长，我们使用高粘性流体来匹配雷诺数为$\text{Re} \lessapprox 0.1$。游泳速度的测量是针对一系列螺旋波长$λ$、头部几何形状和旋转速率$ω$进行的。我们提供了来自阻力理论的分析预测的实验测量的比较。这种无力和无扭矩的中性浮力游泳者比以前使用的设计更接近细菌的游泳策略，并为未来的应用提供了很大的潜力。
2021-11-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Effective swimming strategies in low Reynolds number flows
讨论了微观游动体在线性剪切流中的最优迁移策略。这两种情况下，其中游泳者位于大的距离，并在一个坚实的墙壁附近，考虑。结果表明，在不需要内能源或外部驱动的情况下，通过水流航行和游泳相结合的方式可以实现迁移。游泳者在所需的方向上移动所需的结构动力学进行了讨论，并分析了两个简单的模型，分别基于存在的弹性结构，和方向相关的摩擦，以控制由外部流引起的变形。在所有情况下，变形序列是一个概括的坦克踩踏运动制度中观察到的小泡在剪切流。给出了偏移速度随变形模式和振幅变化的解析表达式。热波动对推进的影响进行了讨论，并讨论了利用噪声来克服扇形定理对微型游泳者施加的限制的可能性。
2011-04-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn q-bio.OT
Noisy swimming at low Reynolds numbers
小型生物体（例如，细菌）和人造微泳者由于主动游泳和被动布朗运动的组合而移动。考虑一个简化的线性三球游动体，我们研究了游动体的大小如何调节低雷诺数下自驱动和扩散行为之间的相互作用。从Kirkwood-Smoluchowski方程及其相应的Langevin方程出发，导出了三维空间中的方位相关时间、平均速度和均方位移的计算公式。通过数值模拟说明了分析结果的有效性。将游泳者参数调整到细菌的典型值，我们发现三个特征区域：（i）小时间的布朗运动，（ii）中间时间尺度的准弹道行为，以及（iii）由于噪声引起的取向翻转而在大时间的准扩散行为。我们的分析结果可以用于更好地定量了解细菌系统中的最佳觅食策略，并且它们可以帮助在波动的流体中构建更有效的人工微游泳者。
2009-07-06 cond-mat.soft
Flow analysis of the low-Reynolds number swimmer C. elegans
游泳细胞和微生物是许多生物过程的关键组成部分。为了更好地解释低雷诺数游泳的实验研究，我们结合实验和数值方法来执行周围的流场的分析游泳线虫秀丽隐杆线虫。我们首先使用图像处理和粒子跟踪测速技术来提取线虫的身体形状，运动学和周围的流场。然后，我们构建了一个三维模型，使用实验游泳运动学和采用边界元法来模拟流场，获得了很好的定量与实验一致。我们使用这个数值模型表明，使用纯平面数据的流动剪切率的计算结果显着低估了真正的三维值。应用对称参数，验证对数值，我们证明了平面外的贡献可以通过不可压缩性，因此简单地计算粒子跟踪测速。我们的研究结果表明，如何基本的流体力学的考虑，可用于提高生物流体力学测量的准确性。
2016-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming with a cage: Low-Reynolds-number locomotion inside a droplet
最近的实验使用合成microswimmer操纵液滴的启发，我们调查的低雷诺数运动的模型游泳者（球形蠕动）封装在一个液滴的大小相当的另一种粘性流体。仅通过流体动力学相互作用进行冥想，被囚禁的游泳者被认为能够推动液滴，并且在某些情况下，两者都保持在稳定的共同游泳状态。这个问题是解决使用一个精确的分析理论和基于边界元法的数值实现，特别注重在同心配置的共同移动的游泳者和液滴的运动学，我们得到了很好的定量两者之间的协议。液滴总是比使用纯切向表面致动的游动器移动得更慢，但是当游动器使用切向和法向致动的特定组合时，蠕动器和液滴能够获得相同的速度并且始终保持同心。接下来，我们采用数值模拟来研究他们的同心共同运动的稳定性，并强调几个稳定的情况下，根据游泳者采用的特定步态。此外，我们表明，液滴反转的远场流的性质引起的游泳者：一个液滴笼把推游泳者成拉，反之亦然。我们的工作揭示了液滴作为化学成分的自含载体和用于可控和精确药物递送的自推进装置的潜在发展。
2017-03-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effect of swimming mode on shielding of odor traces in turbulence
Machine Learning Genoa Center (MaLGa) & Department of Civil, Chemical and Environmental Engineering, University of Genoa（热那亚大学机器学习和环境工程学院）；Gran Sasso Science Institute (GSSI)（格兰萨索科学研究所）；INFN–Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室）
研究通过直接数值模拟揭示了游动模式如何影响湍流中气味踪迹的扩散，发现游动能显著降低检测概率，且拉式游动者比推式游动者更有效于气味屏蔽。
2026-05-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Snapping elastic disks as microswimmers: swimming at low Reynolds numbers by shape hysteresis
我们说明了一个概念的形状变化的microswimmer，它利用了弹性物体的形状过渡的滞后，通过一个弹性盘进行循环局部肿胀。如果弹性物体浸入粘性流体中，以完全时间可逆的方式驱动滞后形状转变的控制参数会产生非时间可逆的形状序列和净游泳运动。我们证明了这一概念与microswimmer，这是一个扁平的圆形弹性磁盘，经历了一个过渡到一个圆顶状的形状，通过局部肿胀的内部磁盘。这种形状转变的控制参数是圆盘材料的标量膨胀因子。通过在中心区域具有附加吸引相互作用的固定外部框架，平坦形状和圆顶状形状之间的形状过渡变得滞后，并且类似于扇贝的滞后打开和关闭。采用斯托克斯动力学模拟的离散版本的磁盘，我们表明，游泳者有效地移动到开放的圆顶在粘性流体的方向，如果膨胀参数是在时间可逆的方式改变。游泳机制可以定性地再现一个简单的9珠模型。
2020-12-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Three-Sphere Low Reynolds Number Swimmer with a Cargo Container
一个最近推出的自主游泳者在低雷诺数，这是由两个手臂连接的三个球体被认为是当其中一个球具有大半径的模型。利用Oseen给出的任意半径球前点力的Stokes Green函数$R$，可以解析地研究与该系统的泳姿和净运动有关的Stokes流体动力学流动。计算游泳速度，并显示为$1/R^3$与球体半径成比例。
2008-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Modeling microscopic swimmers at low Reynolds number
我们采用三种数值方法来探索低雷诺数游泳运动，通过Oseen张量近似，格子Boltzmann模拟和多粒子碰撞动力学建模的流体动力学相互作用。通过将该方法应用于三珠线性游泳者，其确切的结果是已知的，我们能够比较和评估不同方法的有效性。然后，我们提出了一类新的低雷诺数游泳者，广义三珠游泳者，可以改变他们的手臂的长度和他们之间的角度。因此，我们提出了一种能够在三维空间中移动的微结构的设计。我们讨论了多珠，线性微结构，并表明他们是高效的游泳者。然后，我们转而考虑弹性细丝的游动运动。使用多粒子碰撞动力学，我们表明，驱动灯丝的行为在定性上类似的方式，最近德雷福斯等人证明了微米尺度的游泳设备。
2007-01-22 cond-mat.other cond-mat.soft
Kinematics of a simple reciprocal model swimmer at intermediate Reynolds numbers
我们计算研究的运动学的一个简单的模型互惠游泳者（不对称哑铃）作为雷诺数（Re）的函数，并调查如何发病和逐渐增加的惯性影响游泳行为：在游泳方向，流动方向和游泳行程的逆转。我们将游泳划水分为两个领域的扩张和压缩，并将它们与力量和恢复划水联系起来。我们发现，游泳方向的开关也对应于电源和恢复中风的开关。我们得到的平均游泳速度的表达式崩溃的净位移在膨胀和压缩幂律关系的Re，游泳者的振幅，和两个球体之间的距离。分析流体流动，我们看到在膨胀期间的平均流场总是类似于推动器，而压缩总是类似于拉动器，但是当在整个循环中平均时，占主导地位的流动是在做功冲程期间发生的流动。我们还将动力冲程和恢复冲程与膨胀和压缩期间的游泳效率相关联，并且我们发现，令人惊讶的是，动力冲程并不总是比恢复冲程更有效。我们的研究结果可能对生物学和最终设计人工游泳者具有重要意义。
2020-02-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phase-separation models for swimming enhancement in complex fluids
游泳细胞通常不得不自推进通过显示非牛顿流变学的流体。虽然过去的理论工作似乎表明，复杂流体产生的应力应该系统地阻碍低雷诺数运动，实验观察表明，运动增强是可能的。在本文中，我们提出了一个物理机制的运动增强的微观游泳者在复杂的流体。它是基于这样的事实，即微结构的流体通常会在表面附近发生相分离，导致存在低粘度层，从而促进滑动并降低游泳者表面附近的粘性摩擦。我们使用两个模型来解决这种相分离的后果：一个非零的表观滑移长度的流体，然后在一个薄层附近的游泳者的粘度变化的显式建模。考虑到两个典型的低雷诺数运动，即一个二维片和一个三维细丝的波动运动的设置，我们表明，相分离系统地增加运动速度，可能由数量级。最后，我们用最近的实验结果来验证我们的预测。
2015-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Propulsion of a two-sphere swimmer
我们描述的实验和模拟演示的推进力的中性浮力游泳者，由一对球体连接的弹簧，沉浸在振动的流体。流体的振动引起球体的相对运动，对于足够大的振幅，这可以导致两个球体的质心的运动。我们发现，从实验和模拟获得的游泳速度同意和崩溃到一个单一的曲线上，如果绘制作为流雷诺数的函数，这表明，推进流有关。似乎有一个临界值的流动雷诺数游泳发生。随着雷诺数的增加，我们观察到流动流动的变化，从两个独立振荡球体产生的流动变化到整个游泳者周围的集体流动模式。游泳的机制可以追溯到加强游泳者身后的流体射流。
2016-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
From diffusive mass transfer in Stokes flow to low Reynolds number Marangoni boats
我们提出了一个理论的对称，半球形Marangoni船（肥皂或樟脑船）在低雷诺数的自推进。推进力是由调节空气-水界面张力的水溶性表面活性剂分子的释放（扩散发射或溶解）产生的。对于一个完全对称的游泳者来说，推进要么需要不对称的释放，要么需要通过与平流耦合的自发对称性破缺。我们研究了Stokes流中的球的扩散-平流问题的解析和数值均为恒定浓度和恒定流量的边界条件。我们得出新的结果，在恒定通量边界条件下的浓度分布和Nusselt数（无量纲比的总排放通量和扩散通量）。基于这些结果，我们分析了小Marangoni推进（低Peclet数）的Marangoni船，并表明存在两个游泳制度，在低速度的扩散制度和在高游泳者速度的对流为主的制度。我们描述了大Marangoni推进（高Peclet数）的限制和蒸发的近似分析理论的影响。游泳的速度是由力的平衡，我们得到的Marangoni力的一般表达式，其中包括直接的Marangoni力从表面张力梯度和Marangoni流动力。我们解开，无论是马兰戈尼流的贡献是施加一个向前或向后的力在推进。我们的主要结果是Peclet数和游泳速度之间的关系。自发对称性破缺，因此，游泳发生一个完全对称的游泳者以上的临界Peclet数，这变得小的大系统尺寸。我们发现一个超临界游泳分岔的对称游泳者和避免分歧的存在下的不对称性。
2021-04-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Life at low Reynolds number isn't such a drag
本文受Purcell经典讲座启发，阐述如何借助标度论证、量纲分析和化学工程原理定量描述微生物游泳，以促进生物系统理解与工程创新。
2024-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Analytic results for the three-sphere swimmer at low Reynolds number
本文对由两臂连接的三个球体组成的低雷诺数游泳者的简单模型进行了一般形式的考虑和分析。游泳的速度，力-速度响应，功耗和效率的游泳者计算一般变形，也为特定的模型处方。噪声和连贯性的中风周期中的作用进行了讨论。
2008-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
External chemical gradient leads to efficient swimming of chiral swimmers
外部梯度能强烈影响微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个流体动力相互作用的自推进手征游泳者的行为，在低雷诺数制度下，外部线性化学梯度的影响下。我们使用广义蠕动模型称为手征蠕动，一个球形的身体与不对称的表面滑动速度，代表游泳者。我们发现，外部梯度有利于游泳者之间的吸引力，并在某些情况下，导致一个有界的状态，其中游泳者以高度同步的方式移动。此外，由于这种协作运动，与单个游泳者相比，游泳者有效地到达化学目标。本研究有助于理解手性游泳分子的集体行为，并有助于设计用于靶向给药的合成微游泳分子。
2023-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transition in swimming direction in a model self-propelled inertial swimmer
我们提出了一个互惠的，自推进模型游泳者在中间雷诺数（$Re$）。我们的游泳者由两个不相等的球体组成，它们反相振荡，产生非线性定常流（SS）。我们的计算表明，SS流使游泳者推进自己，并切换方向作为$Re$增加。我们量化的过渡在游泳方向上的崩溃我们的数据上的一个关键的$Re$，并表明，在游泳方向上的过渡对应的SS流的逆转。基于我们的研究结果，我们提出SS可能是运动在中间$Re$的一个重要的物理机制。
2018-11-07 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nonreciprocal model swimmer at intermediate Reynolds numbers
异时性游泳是指具有小的相位滞后的肢体的连续跳动，在各种尺度的许多生物体中观察到，但大多数研究都是在高或低雷诺数的限制下进行的。的动机是游泳的卤虫，中尺度的有机体，在中间雷诺数，我们计算研究了一个简单的非互惠的二维模型，进行异时游泳。我们的游泳者是由两对以相位差跳动的桨组成的，这两对桨对称地连接在扁平身体的两侧。数值求解了纳维-斯托克斯方程，并采用浸入边界法模拟了流体与游泳者之间的相互作用。为了研究惯性和几何形状的影响，我们在$Re = 0.05 - 100$范围内进行了不同桨距和雷诺数的模拟。在所有情况下，我们观察到来回运动在周期和有限的周期平均游泳速度在稳定状态。有趣的是，我们发现游泳者的游泳速度对$Re$具有非单调依赖性，在$Re\approx1$附近具有最大值，在$Re=20-30$之间具有平坦的最小值，并且最终增加为$Re>35$。为了更深入地了解这种关系背后的机制，我们首先将游泳运动员的游泳行程和每个划桨分解为动力和恢复行程，并表征向前和向后运动。与往复式游泳者不同，在这里，对于周期的一部分，两个划桨之间存在竞争-平衡导致净运动。然后，我们研究了周期平均，以及，功率冲程平均和恢复冲程平均的流体流量，并在流体场的非单调行为的游泳速度的相关差异。我们的研究结果表明，存在不同的运动机制，发展为惯性增加的中间Re范围内。
2021-07-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimal feeding is optimal swimming for all Péclet numbers
在粘性液体中游动的细胞会产生流场，影响相关营养物质的运输，从而影响它们的进食速率。提出了一种零雷诺数下最优进料问题的建模方法。我们考虑一个简化的球形游泳者变形其形状切向在一个稳定的方式（所谓的蠕动）。假设营养物质是一个被动标量服从对流扩散方程，最佳使用的流场的游泳者喂养的确定通过最大化的扩散通量在生物体表面的一个固定的能量耗散率的流体。通过使用伴随的数值优化实现的勒让德多项式谱方法的结果。我们表明，在一个可以忽略不计的量，最佳的喂养机制包括在把所有的能量消耗的表面变形到游泳-所谓的跑步机运动-这也是最大限度地提高游泳效率的解决方案。令人惊讶的是，虽然喂养的速度强烈依赖于Péclet数的值，最佳的喂养行程基本上是独立的，这是由渐近分析证实。因此，在稳定驱动的背景下，最佳喂养被认为是等同于最佳游泳的所有Péclet数。
2011-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Minimal model for transient swimming in a liquid crystal
当微生物在牛顿流体（例如水）中从静止开始游泳时，它迅速达到其稳态游泳速度，因为当雷诺数小时，速度场的变化迅速传播。然而，游泳微生物通常在复杂流体中发现或研究。因为这些流体具有长的弛豫时间，所以达到稳定状态游泳速度的时间也可以很长。在这篇文章中，我们研究了最简单的液晶流体：二维六角液晶薄膜中的游动启动问题。我们研究了启动时间对锚固强度和埃里克森数的依赖性，埃里克森数是粘性应力与弹性应力的比值。对于强锚定，流体流动立即开始，但液晶场和游动速度在与液晶的弛豫时间成比例的时间之后达到其正弦稳态值。当埃里克森数高时，对于任何锚固强度，行为与强锚固情况相同。我们还发现，启动时间增加的旋转粘度的剪切粘度的比率，然后最终饱和，一旦旋转粘度是远远大于剪切粘度。
2015-06-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Efficient models for micro-swimmers
我们提出了极小模型的一维，二维和三维的微型游泳者在低雷诺数与周期性的非往复运动。这些游泳者是沿着游泳轴线的流体的“推动者”或“拉动者”，或两者的组合，这取决于游泳运动的历史。我们证明了这一点与线性三珠游泳者通过分析评估的迁移速度和强度的偶极流引起的游泳运动。据发现，每个周期和偶极流行进的距离可以从投影到珠之间的两个距离的交会图上的周期的轨迹所包围的区域上的积分获得。二维和三维模型游泳者可以通过打破游泳运动相对于游泳轴的对称性来翻滚，如大肠杆菌或衣原体的翻滚运动中所发生的那样，其使鞭毛的运动去对称化以重新定向游泳方向。我们还提出了一个五珠模型的“螺旋游泳者”，即与螺旋鞭毛和旋转电机连接到细胞体。我们的五珠游泳者被吸引到附近的墙壁上，在那里它顺时针游泳，就像在螺旋鞭毛细菌实验中观察到的那样。
2010-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Undulatory swimming in viscoelastic fluids under confinement
该研究以秀丽隐杆线虫为模型，实验探究受限条件下粘弹性流体中的波动式游动行为，结合弹性细丝理论揭示了受限强度与魏森贝格数对应力响应及游动速度的调控机制。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rotation of slender swimmers in isotropic-drag media
细长细丝的阻力各向异性是允许在低雷诺数流动中游泳的关键物理性质，并且没有它线性平移是不可能的。在这里，我们表明，相比之下，净旋转可以发生在各向同性阻力。我们首先证明这一结果正式考虑的后果的力和扭矩的条件下游泳机构，然后我们说明它与两个例子（一个简单的游泳者由三个杆和一个模型细菌与两个螺旋鞭毛丝）。我们的研究结果突出了不同的作用，水动力在产生平移与~旋转推进
2016-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The random walk of a low-Reynolds-number swimmer
在微米尺度上游泳需要特殊的策略。实际上，当惯性与粘性力相比可以忽略不计时（即雷诺数$Re$低于1），流体动力学方程在时间上是可逆的。为了在低雷诺数下获得推进力，游泳者必须以一种在时间反演下不恒定的方式变形。在这里，我们调查的自我推进的生物体的扩散特性，通过显微镜和细胞跟踪。我们感兴趣的系统是微藻\textit{Chlamydomonas Reinhardtii}，一种直径约10微米的能动的单细胞绿色藻，带有两个前鞭毛。在稀悬浮液的情况下，我们表明，跟踪轨迹很好地模拟了相关的随机游走。这个过程是基于运动方向上的短时间相关性，称为持久性。在较长的时间内，相关性丢失，并且标准的随机游走表征轨迹。此外，高速成像使我们能够显示鞭毛在很短的时间内的来回运动如何影响动态的统计描述。最后，我们将展示阻力如何修改这个特定的随机游走的特性。
2011-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
A bi-directional low-Reynolds-number swimmer with passive elastic arms
本文推广了将三球游泳器主动臂替换为被动弹簧的设计，通过增加弹簧数量，利用单个驱动臂的频率实现双向游泳，克服扇贝定理限制。
2024-03-19 cond-mat.soft math.CA
Low Reynolds number hydrodynamics of asymmetric, oscillating dumbbell pairs
主动式哑铃悬浮系统是低雷诺数下集体游泳最简单的模型系统之一。概括最近的工作，我们推导和分析中风平均的运动方程，捕捉有效的流体动力学远场之间的相互作用，在三个空间维度的振荡，不对称哑铃。时间平均的运动方程，如本文所提出的，不仅产生了相当大的速度在数值模拟，他们也可以作为一个出发点时，推导连续方程的宏观动力学的多游泳悬浮液。这里讨论的特定模型在这方面似乎特别有用，因为它允许人们研究集体宏观行为如何受到个体游泳者微观对称性变化的影响。
2010-07-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A circle swimmer at low Reynolds number
在低雷诺数条件下，在各种情况下都会出现绕圈游泳现象。在这里，我们提出了一个简单的模型进行圆周运动的游泳者，概括的模型，线性游泳者提出的Najalan和Golestanian（物理学评论E 69，062901（2004））。我们的模型由三个固体球体排列成三角形，由两个时间依赖性长度的链接连接。对于小的中风，我们讨论的运动的游泳者作为其链接之间的分离角的函数。我们发现，游泳运动员描述顺时针或anticipatory圆周运动取决于倾斜角度在一个非平凡的方式。游泳者的对称性导致了远场流场的四极衰减。我们讨论了我们的模型的潜在扩展和实验实现。
2012-07-13 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Seeing new depths: Three-dimensional flow of a free-swimming alga
University of Minnesota（明尼苏达大学）；National Institute for Mathematical Sciences（韩国数学科学研究所）；Chung-Ang University（中央大学）；University at Buffalo（布法罗纽约州立大学）；University of Cincinnati（辛辛那提大学）
研究通过直接测量自由游动绿藻的三维流场，揭示了二维流特征如何在三维中形成，并发现低雷诺数流现象及流结构拓扑变化，提升对微生物运动的量化精度。
2026-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Surfactant-loaded capsules as Marangoni microswimmers at the air-water interface: Symmetry breaking and spontaneous propulsion by surfactant diffusion and advection
我们提出了一种实现的快速界面Marangoni microswimmer的半球形藻酸盐胶囊在空气-水界面，扩散释放水溶性的扩散分子（弱表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）），它作为“燃料”通过调节空气-水界面张力。对于许多不同的燃料，尽管藻酸盐颗粒和发射是各向同性的，但我们可以观察到对称性破缺和自发推进。推进机制类似于肥皂船或樟脑船，然而，它们通常在形状或排放上不对称以选择游泳方向。我们开发了一个理论的Marangoni船推进开始从低雷诺数的表面活性剂的扩散和平流和流体流动，其中包括表面活性剂引起的流体Marangoni流，和表面活性剂吸附在空气-水界面的耦合问题进行分析，我们还包括一个可能的表面活性剂的蒸发。游泳速度由阻力和Marangoni力的平衡决定。我们表明，自发对称性破缺导致推进是可能的临界无量纲表面活性剂的排放率（Peclet数）以上。我们推导出Peclet数和游泳速度之间的关系，并利用努塞尔数的概念推广到更高的雷诺数。该理论解释了所观察到的PEG-海藻酸盐胶囊的游泳速度，我们解开了基于樟脑的其他马兰戈尼船系统的差异，这主要是由表面活性剂从液体-空气界面蒸发引起的。的胶囊马兰戈尼微泳也表现出表面活性剂介导的排斥与墙壁的相互作用，这可以定性地解释在墙上的表面活性剂积累。
2021-04-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimal swimmer can be puller, pusher, or neutral depending on the shape
微型游泳者采用最佳推进策略的能力对于他们在低雷诺数下的运动性能和生存至关重要。虽然对于完美的球形游泳者来说，最小耗散需要中性类型的游泳，但任何偏离球形的形状都可能导致游泳者采用新的推进策略，即拉式或推式游泳。在这项研究中，通过使用最小耗散定理的microswimmers，我们确定的流场的最佳近球形的游泳者，并表明，确实取决于形状的轮廓，最佳的游泳者可以是一个拉，推，或中性。使用渐近方法，我们发现，在形状函数的所有模式中，只有第三个模式决定了最优游泳者的游泳类型。
2021-06-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A basic swimmer at low Reynolds number
在低雷诺数下的游泳和泵送受“扇贝定理”的约束，该定理指出，对于时间可逆运动，将没有净流体流动。细菌和细胞等生物体受到这种限制，现有和未来的人工“纳米机器人”或微流体泵也是如此。我们研究了一个非常简单的机制，以诱导流体泵送，通过一个周期，打破时间反演对称性的三个胶体珠强制运动的基础上。光镊用于改变珠间距离。该模型的灵感来自Najalan和Golestanian [Phys.Rev.E，69，062901，2004]提出的基于支柱的理论游泳者，但在这项工作中，光阱势的相对柔软性引入了一个新的控制参数。我们表明，该系统是能够产生流量在一个受控的方式，表征模型的实验和数值。
2009-01-09 cond-mat.soft
A three-sphere swimmer for flagellar synchronization
在最近的一封信中（Friedrich等人，物理修订版信函109：138102，2012），提出了一种最小模型游泳者，其通过一对球体的旋转运动在低雷诺数下推进自身。两个球体的运动可以通过取决于游泳者的运动的流体动力学耦合而同步，但与直接的流体动力学相互作用无关。这种新的同步机制可以解释一对鞭毛的同步，例如在绿藻衣原体中。在这里，我们将详细讨论如何游泳和同步依赖于模型游泳者的几何形状，并计算最佳同步的游泳者设计。我们的分析强调了对称性破缺对游泳和同步的作用。
2013-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Optimal shapes of artificial bead-spring micro-carriers at low Reynolds numbers
基于微珠的微游泳者是用于微尺度有效载荷递送的有前途的系统。然而，其最佳设计的基本原则尚未完全理解。在这里，我们研究一个简单的装置，由三个任意形状的珠子连接两个弹簧。我们分析确定最有利的正弦驱动的运动学参数，并显示如何游泳者的变化，从推到拉。对于承载货物的椭球形珠子，我们在恒定的总体积或表面积的约束下进行几何优化，目的是最大限度地提高设备的运输速度和效率。有趣的是，我们确定了两个主要的运输制度，这是从游泳者所面临的弹性和阻力之间的竞争。我们构建了一个相图，表明当最快的游泳出现，因为最小化的阻力，当由于提高了相互作用的珠子。
2014-02-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stochastic dynamics of active swimmers in linear flows
关于低雷诺数游泳的流体动力学的大多数经典工作都涉及静止环境中的确定性运动。已知流体中的热波动会导致游动方向的布朗损失。由于大多数细胞或合成的游泳者沉浸在外部流中，本文从理论上考虑了模型活性粒子（自推进球）在稳定的一般线性流中的随机动力学。随机性既来自物理空间中的平移扩散，也来自方向空间中的旋转扩散和翻滚动力学的组合。我们首先推导出一个一般配方的所有组件的长时间的均方位移张量的游泳者与时间相关的游泳速度，其方向decorrelates由于单独的旋转扩散。这个一般的框架是适用于获得对流增强均方位移的一个swelly-swimming粒子在三个典型的线性流（延伸，简单剪切，和固体旋转）。然后，我们将展示如何扩展我们的结果的情况下，游泳者的取向也decorrelates的运行和翻滚动力学帐户。自推进一般会导致相同的长时间的时间的线性流中的被动粒子的时间标度，但增加了系数。在特定的情况下，固体旋转，有效的长时间扩散是相同的，在一个静止的流体，我们澄清缺乏流动依赖性，通过简要检查椭圆线性流动的动态。通过比较新的主动条款与被动粒子，我们看到，游泳可以导致增强的均方位移的数量级，并可能是相关的生物有机体或合成的游泳设备在波动的环境或生物流。
2014-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stirring by squirmers
我们分析了一个简单的“斯托克斯蠕动”模型的增强混合由于游泳微生物。该模型基于Thiffeault & Childress的计算[Physics Letters A，374，3487（2010），arXiv：0911.5511]，其中添加了由于无粘性游泳者引起的流体粒子位移以产生有效扩散率。在这里，我们表明，对于粘性的情况下，游泳者不能被假定为游泳无限的距离，即使他们的总质量位移是有限的。相反，最大的贡献，颗粒位移，从而混合，从随机变化的方向游泳，并在我们的简单模型中的远场应力项占主导地位。我们通过数值模拟验证了结果。我们还计算非零雷诺数修正的有效扩散。最后，我们表明，由于随机游泳蠕动位移表现出PDF指数尾巴和短时间的超扩散制度，如先前发现的几个作者。在我们的例子中，指数尾是由于“粘”在蠕动表面的停滞点附近。
2010-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Scattering of rod-like swimmers in low Reynolds number environments
在寻找代谢资源的过程中，微生物在呈现物理各向异性的粘性环境中游动，包括各种尺寸的空间障碍。众所周知，水动力会显著改变游泳者在平坦和低曲率表面附近的轨迹。在这项工作中，我们成像了游泳细菌和半径从~1到~10个细胞长度的微制造柱之间成千上万的高曲率散射相互作用。作为碰撞参量的函数，细胞柱相互作用产生了不同的手性分布的散射角-包括意想不到的“反旋转”轨迹-以及描述的立体模型。我们的数据和模型表明，改变游泳者的轨迹是受不同的机制时，与不同大小的对象相互作用，主要是空间的对象低于10个细胞的长度，并需要纳入流体力学在更大的尺度。这些轨迹的改变会影响游泳动力学，并可能以取决于环境中障碍物的形状和位置的方式影响微生物种群。
2020-07-01 cond-mat.soft
Pushmepullyou: An efficient micro-swimmer
在低雷诺数条件下，改变其体积和相互距离的一对球形囊的游动是有效的，并且优于其他模型的人工游泳者。形状的变化类似于某些原生动物的蠕动运动，称为{ \it代谢}。
2005-04-21 cond-mat.soft math-ph math.MP
Hydrodynamic capture and release of a microswimmer by a meniscus corner
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海德拉巴分校）；Chevron ENGINE, Bengaluru（雪佛龙工程班加罗尔分部）；Indian Institute of Technology, Madras（印度理工学院马德拉斯分校）
研究微流体在 meniscus 角的捕获与释放机制，通过实验、理论和模拟揭示低雷诺数下微流体在角落的运动特性及操控方法。
2026-04-21 cond-mat.soft
Magnetically Driven Elastic Microswimmers: Exploiting Hysteretic Collapse for Autonomous Propulsion and Independent Control
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Institut für Physik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg（马格德堡大学物理研究所）
本文提出利用磁驱动弹性微游泳者实现自主推进与独立控制，通过优化几何结构和磁场形状提升推进速度，为微创医疗应用提供新方法。
2026-03-09 cond-mat.soft cs.RO physics.app-ph
Optimising low-Reynolds-number predation via optimal control and reinforcement learning
我们寻求最佳的中风序列的有限大小的游泳捕食者追逐一个非运动点或有限大小的猎物在低雷诺数。我们使用最优控制寻求全局最优解前者和RL的一般情况。捕食者是由一个蠕动模型，可以向前和横向平移，旋转，并产生应力流。我们确定了捕食者的最佳蠕动序列，以实现时间最优（TO）和效率最优（EO）捕食。对于点食饵，TO蠕动体的平移运动倾向于两重L形轨迹，这使其能够利用扰动流加速捕食;使用应力模式显著加速EO捕食，使捕食者能够以更低的能量消耗和更高的捕食效率更快地捕获猎物;捕食者可以利用其应力扰动流将猎物吸向自己;与平移捕食者相比，它的同类结合了平移和旋转的时间效率较低，后者偶尔通过后退以前进来实现TO捕食。我们还采用强化学习来再现追踪一个点猎物的全局最优捕食策略，定性地捕捉到TO路径的关键两重属性。使用数值模拟的强化学习环境，我们探讨了最优捕食路径对猎物大小的依赖性。我们的研究结果可能会提供有用的信息，帮助设计合成的微型游泳者，如\textit{in vivo}医疗微型机器人能够捕获和接近物体的粘性流。
2022-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Locomotion of magnetoelastic membranes in viscous fluids
生物医学应用中多功能和生物相容性的微型机器人的发展依赖于通过粘性流体实现运动。在这里，我们描述了一个框架游泳均匀磁弹性膜组成的超顺磁性粒子。通过求解运动方程，我们发现的动力学模式的圆形膜在旋进磁场，这被发现致动或不同步的磁场旋进以上或以下的临界旋进频率，$ω_c$，分别。对于大于$ω_c$的频率，同步的旋转波和径向波在膜上传播。这些波引起的运动在不可压缩的流体在低雷诺数使用格子玻尔兹曼方法。非往复运动导致游泳是通过打破膜的形态对称性来实现的，通过截断圆形段来实现。通过对外部磁场进行编程，可以使膜平移适应于预定路径。我们的研究结果奠定了基础，实现定向运动薄，均匀的磁致弹性膜具有不同的阵列的几何形状。
2021-12-07 cond-mat.soft
Two Microspheres in an External Flow: a Dance of Cause and Effect
在低雷诺数游泳和泵送中，与日常经验不同，只有当游泳者（或泵）的构造部件遵循非平凡的运动模式时，才能实现净运动（或流动），以便打破时间互易性。从动风扇的情况是，它旋转以产生气流，但在关闭并受到强大的外部气流时相反旋转，这是物理因果之间相互联系的一个熟悉的例子。我们在这里探讨在一个良好控制的低雷诺数系统是否这样的交换的原因和效果也在低雷诺数制度。作为一个案例研究，我们研究的运动的两个微球相互作用的流体动力学通过其周围的流体。每个球被约束在一个固定的光阱势，允许局部波动周围的平衡位置。一个外部流示出诱导非平凡的耦合运动。我们发现了一个互惠的签名：非平衡球波动模仿的对称性的运动，人们会施加，以使他们产生一个恒定的流量。
2019-06-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Buckling instability causes inertial thrust for spherical swimmers at all scales
微型游泳者，其中有抱负的微型机器人，通常必须应付流动的粘性力占主导地位，其特征是低雷诺数（$Re$）。这意味着对身体运动的可能序列的约束，这些序列必须是非互易的。此外，强阻力的存在限制了所得速度的范围。在这里，我们提出了一个游泳机制，它使用的屈曲不稳定性引发的压力波，以推动一个球形，空心壳。与宏观实验模型，我们表明，净位移产生在所有$Re$制度。在中间$Re$处达到由非平凡历史效应引起的最佳位移。我们表明，由于快速激活引起的不稳定性，这一制度是可达到的微观壳。快速动力学还允许用标准行进超声波进行高频激励。规模的考虑预测的游泳速度为1厘米/秒的远程控制microrobot，一个合适的值，如药物输送的生物应用。
2017-10-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dumb-bell swimmers
我们调查的方式，振荡哑铃，一个简单的微观模型的非极性游泳者，移动在低的阿氏数。根据珀塞尔的扇贝定理，一个单独的哑铃不能游泳，因为它的行程是时间的倒数。然而，两个或多个哑铃的运动，具有相互的相位差，不是时间反演不变的，因此游泳是可能的。本文利用Stokes方程的解析解和数值解计算了两个哑铃游泳者之间的水动力相互作用，并讨论了他们的相对运动。游泳运动员之间的相互作用的合作效果进行了探讨，考虑第一次定期，然后随机阵列的哑铃。我们发现，一个正方形阵列作为一个微型泵。长时间的行为暂停哑铃的调查和比较模型极地游泳运动员。
2008-05-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active particles in periodic lattices
自然和人工的小规模游泳者通常可以在受到复杂几何约束的环境中自推进。虽然过去大多数关于低雷诺数运动的理论工作都是针对理想化的几何情况，但对游泳者在异质环境中的运动知之甚少。作为第一个理论模型，我们调查数值的行为，一个单一的球形微型游泳者位于一个无限的，周期性的体心立方晶格组成的刚性惰性球体的大小相同的游泳者。运行大量的模拟，我们发现可能的轨迹作为一个功能的游泳驱动的强度和晶格的堆积密度的相图。然后，我们使用流体动力学理论来合理化我们的计算结果，并特别显示如何远场性质的游泳者（推与拉）甚至在高体积分数的行为。
2017-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Theoretical framework for pairwise microswimmer interactions
流体动力学相互作用是决定在低雷诺数的微型游泳者的合作行为的关键。在这里，我们提供了一个全面的分析的缩放和强度的相互作用的情况下，一对具有内在弹性的三个球体的游泳者。基于中风和基于力的microswimmer分析使用的分析微扰方法。被动的相互作用，以及主动的平移和旋转的详细分析后，我们发现，基于冲程和基于力的游泳者之间的映射只可能在低驱动频率制度的特征时间尺度小于粘性的。此外，我们发现，游泳运动员分开高达数百个游泳者的长度，游泳对加快自我推进，由于占主导地位的四极流体动力学相互作用。最后，我们发现，长期的行为的游泳者，而敏感的初始相对定位，并不依赖于推或拉性质的游泳者。
2021-02-10 cond-mat.soft
Auto-electrophoresis in non-Newtonian media: interaction of rheology and electrocatalytic parameters
生物友好的合成自泳游泳者的可能应用的最新发现，促使研究人员在调查各种运动产生机制，以优化相同的操作特性。在本文中，我们模拟了非牛顿介质中的金铂球泳子的自电泳运动。鉴于许多生物流体严格遵循广义牛顿流变学的事实，周围游动介质的流变学被认为遵循Carreau-Yasuda粘度模型。进一步捕捉实验观察到的过氧化氢浓度和反馈产生的质子浓度对表面阳离子通量的影响，我们将一个米氏-Menten表面反应动力学。电催化效率被定义为一个相当于被动拖曳颗粒的游泳成本和通过表面反应输入的化学能之间的比率，被用来评估的流变参数对游泳者的性能的影响。结果表明，周围流体的剪切变稀和剪切增稠性质导致的游泳者速度的增加和减少，分别。然而，剪切稀化效应的增加并不总是保证微型游泳器的有效操作。粒子速度与粒子上的阻力减小之间的竞争决定了推进效率是否会随着幂律指数的变化而相对增大或衰减。我们进一步报告的存在性最大效率点的一些特定范围内的Weissenberg数和最佳的幂律指数。此外，这种最佳操作条件的行为强烈依赖于流变学和电催化参数之间的非平凡和高度耦合的相互作用。
2018-07-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergent Hydrodynamic Bound States Between Magnetically Powered Micropropellers
流体动力学相互作用（Hydrodynamic Interactions，HI），即溶剂介导的分散颗粒之间的长程相互作用，在许多主动系统的组装和动力学中起着至关重要的作用，从游动的细菌到推进的微型机器人群。在这里，我们实验证明了在低雷诺数下模型微游泳者之间的长寿命流体动力学束缚态的出现。旋转的磁场迫使胶体赤铁矿微粒以恒定且频率可调的速度在粘性流体中接近边界平面平移。在高驱动频率下，HI在磁偶极上占主导地位，并且通过调整它们的平移速度将近距离推进粒子耦合到束缚态，以优化对的输运。物理系统的描述，考虑到HI与边界表面和重力的影响，提供了一个很好的协议与实验数据的所有范围内的参数探索。此外，我们表明，在稠密的悬浮液中，这些束缚态可以扩展到一维阵列的粒子组装的唯一的HI。我们的研究结果表明，边界面的相互作用和动力学的限制推进微型游泳的重要性。
2017-09-13 cond-mat.soft
