Reciprocal swimming in granular media: the role of jamming and swimmer inertia
University of Michigan（密歇根大学）
研究扇贝状游动者在颗粒介质中的推进机制，用粒子模拟和离散元方法，揭示堵塞及惯性作用下的两种推进机制，量化相关因素，发现其与净位移的关系及不同冲程的特点。
2026-07-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Reciprocal swimming in viscoelastic granular hydrogels
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）；University of Michigan（密歇根大学）；Otto von Guericke University Magdeburg（马格德堡奥托·冯·格里克大学）；Brandenburg University of Applied Sciences（勃兰登堡应用科技大学）
研究了一种类似双壳类动物的游泳者在近无摩擦、具有粘性的颗粒介质中反向拍打翅膀的运动，发现当拍打频率匹配材料的反弛豫时间时产生显著运动，且方向与无粘性颗粒介质中相反。
2025-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Two-fluid model for locomotion under self-confinement
幽门螺杆菌通过侵入保护上皮细胞的粘液层引起人类胃溃疡。它通过化学改变粘液的流变特性从高粘度凝胶到低粘度溶液，在其中它可以自我推进。我们开发了一个双流体模型下自生约束的游泳过程。我们精确地解决了位于两个牛顿流体的球对称系统中的球形游泳者的流动和运动速度，该系统的边界随游泳者移动。我们还分别讨论了不动外部流体的特殊情况。在所有的情况下，我们都考虑了流场，它们的空间衰减，以及粘度比和限制程度对模型游泳者运动速度的影响。流动的空间衰减保持与单一流体中的运动相同的幂律衰减，但幅度减小。独立的假设选择来解释限制对游泳者施加的驱动的影响，其运动速度总是随着限制程度的增加而减小。我们的建模结果表明，一个低粘度区域的至少六倍的有效游泳者的大小需要导致游泳的速度类似于运动在一个无限的流体，对应于一个区域的大小以上$\approx 25~μ$ m的幽门螺杆菌。
2017-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Low-Reynolds-number, bi-flagellated Quincke swimmers with multiple forms of motion
在零雷诺数（Re）的限制下，游泳者利用一系列非往复的身体运动来推进自己。对于人工游泳器，需要结合其几何和机械特性，适当选择驱动其运动的动力源。尽管各种外部场（磁场、声学、光学等）已经介绍了，电场很少用于在无限空间中实验性地致动这种游泳者。在这里，我们使用均匀和静态的电场，以证明运动的双鞭毛球在低Re通过昆克旋转。这些昆克游泳者表现出三种不同形式的运动，包括由于弹性电流体动力相互作用而产生的自振荡状态。每一种运动形式都遵循着空间中不同的轨迹。我们的实验和数值结果表明，一种新的方法来产生，并可能控制，人工鞭毛虫游泳运动。
2021-05-10 cond-mat.soft 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
Extensibility enables locomotion under isotropic drag
各向异性粘性阻力通常被认为是细长体如鞭毛和纤毛的低雷诺数运动的必要条件。在这里，我们表明，各向同性阻力下的运动是可能的可扩展的细长机构。经过一般的考虑，一个二环游泳者和一个模型甲藻鞭毛的分析研究，以说明如何可扩展性可以利用自推进没有阻力各向异性。这种新的自由度可能是有用的一些复杂的游泳者的几何形状和运动在复杂的流体环境中的阻力各向异性是弱的，甚至没有。
2011-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Performance comparison of tethered and self-propelled models of fish locomotion using unsteady thin airfoil theory
Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）
本研究使用非定常面元法比较系留与自推进鳍的游动性能，发现优化系留游动体的运动学策略并不一定适用于自推进游动体。
2026-09-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Neuroevolution of Decentralized Decision-Making in N-Bead Swimmers Leads to Scalable and Robust Collective Locomotion
该研究利用神经进化优化N珠泳者各身体部位的分散决策，揭示可扩展、抗形态缺陷且可直接用于人工微型泳者的高效集体运动策略。
2024-09-03 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
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
Dynamics of a microswimmer near a curved wall: guided and trapped locomotions
我们提出了一个结合的解析-数值策略来预测一个微型游泳者在一个弯曲的球形障碍物旁边的动力学和轨迹。的microswimmer是由在其表面上的滑动速度和一致有效的解决方案是通过利用雷诺互易定理结合精确的流体动力学解的平移/旋转的球在任意方向旁边的一个静止的障碍物。这种方法允许的microswimmer和障碍物的水动力相互作用，以一致和准确地计算在远场和近场。基于分析，结果表明，虽然“点奇异性解决方案”是有效的，当微型游泳者远离障碍物，它无法预测正确的动态时，游泳者接近障碍物（即间隙大小约为两倍的特征长度的微型游泳者）。两种不同的范式推进，所谓的“蠕动”和“泳”模型，进行了检查，并为每种类型的microswimmer，各种类型的轨迹突出显示和讨论的情况下，游泳者可以被流体动力学捕获或引导的障碍。分析表明，在具有大尺寸障碍物（$\sim 20$ -比微型游泳者尺寸大$40$倍）的封闭圆形轨道中捕获微型游泳者总是更容易，因为在这种情况下，旋转速度的幅度可以足够大，使得游泳者可以调整其与障碍物的距离和取向矢量。
2017-10-29 cond-mat.soft
Enhanced diffusion by reciprocal swimming
珀塞尔的扇形定理指出，游泳者以时间可逆的方式（“往复”运动）变形他们的形状不能游泳。使用数值模拟和理论计算，我们在这里表明，在一个波动的环境中，互惠游泳者经历，在时间尺度上大于他们的旋转扩散，扩散动力学增强扩散系数，可能由数量级，高于正常的平移扩散。因此，往复致动确实导致了对诸如海洋细菌的小生物体的非运动行为的显著优势。
2011-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Long-time anomalous swimmer diffusion in smectic liquid crystals
活性粒子在取向或液晶流体中的自运动动力学与简单各向同性介质中的自运动动力学有很大的不同。我们研究了三维近晶相液晶中运动的游泳者的长时间动力学，发现在长时间内，横向于指向矢的均方位移（MSD）呈现出明显的对数尾。标度是明显不同的，在各向同性或无规流体，并暗示在微妙的，但重要的作用，董事波动频谱在管理的长期运动的活性粒子。我们的研究结果是基于一个通用的流体力学理论和布朗动力学计算机模拟的三维软介晶模型。
2018-05-17 cond-mat.soft
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
Locomotion in complex fluids: Integral theorems
自推进细胞遇到的生物流体显示复杂的微观结构和流变学。我们在这里考虑的一般问题的低雷诺数运动在一个复杂的流体。{建立在粘弹性流体中的粒子的运输的经典工作，}我们演示了如何从数学上推导出三个积分定理有关的任意运动的一个孤立的有机体的游泳运动学{在非牛顿流体}。这些定理对应于三种感兴趣的情况，即（1）线性粘弹性流体中的蠕动运动，（2）弱非牛顿流体中的任意表面变形，和（3）任意非牛顿流体中的小幅度变形。我们的最终结果，有效的广泛的类{游泳者几何，}表面运动学和本构模型，最多需要一系列的牛顿流问题的数学知识，将是有用的量化运动的生物和合成的游泳者在复杂的环境。
2014-10-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Reciprocal microswimming in fluctuating and confined environments
本研究通过双球模型和脉冲响应函数，理论证明互易微游泳者在波动受限环境中可获得统计净位移，揭示形状步态与运动关系，为环境耦合统计运动提供基础。
2023-12-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Engineering passive swimmers by shaking liquids
微型游泳者的运动和设计是当前基础和应用研究的热点问题。除了许多活的和人工的主动微泳者之外，最近才发现了一种被动微泳者：一种柔软的、λ形的、非浮力的颗粒在平均速度为零的振荡液体中传播[Jo et al. Phys. Rev. E 94，063116（2016）]。我们表明，这种新的被动运动机制的工程现实的非浮力，不对称的Janus微胶囊以及。根据我们的分析近似，这种运动需要在振荡液体运动的两个半周期期间由软颗粒的不同Stokes阻力引起的对称性破缺。正是Janus囊和λ形粒子的固有各向异性打破了正弦液体运动的对称性。此外，我们表明，这种被动运动机制也适用于更广泛的对称软粒子，例如，胶囊，通过打破对称性，通过适当的液体振荡。通过适当选择液体运动，可以唯一地选择游动方向。数值研究，包括格子玻尔兹曼模拟，也表明这种运动可以超过重力，即，非浮力颗粒可以在摇动的液体中升高或集中在容器的底部。这种新颖的推进机制与许多应用相关，包括用于医疗目的的软颗粒（如健康和恶性（癌）细胞）的分选，或使用非浮力软颗粒作为定向微泳者。
2019-07-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Magnetically actuated artificial microswimmers as mobile microparticle manipulators
Clemson University（克莱姆森大学）
微型游泳机器人已经被设想用于许多医疗应用，例如靶向药物递送，其中微型机器人将被期望通过携带有效载荷的通道在流体中导航。或者，在许多情况下，这种有效载荷不必物理地绑定到游泳者，而是可以由微型机器人操纵和引导通过通道。我们研究这个问题的非接触操作的微粒在低雷诺数的流体中的移动microswimmer。我们考虑一个模型的磁驱动的人工microswimmer，其运动通过流体中诱导的扰动速度场的流体，然后采取行动，推动货物颗粒在其附近。因此，本文研究的问题是一个耦合运动操纵的两个机构在流体中。磁性游泳者的运动是由外部施加的恒定强度的磁场驱动的，但其方向在平面内以恒定速率旋转。如果与周期性磁场相关的频率高于临界频率，则游泳者在垂直于该平面的方向上推进自身。低于这个临界频率，游泳者在没有网运动的情况下翻滚。采用Stokesian动力学方法对流体-游动体-货物质点耦合动力学进行了数值求解。货物粒子的诱导运动是可控的。这是通过切换磁场的旋转平面以及切换高于和低于临界频率的磁场的频率来实现的。虽然一个游泳运动员具有特定的几何形状已被用于模型中，本文的结果是适用于游泳运动员与其他几何形状和推进手段。本文的研究结果表明，微泳者可以利用作为移动机械手的微粒在流体中。
2019-09-06 cond-mat.soft cs.RO physics.flu-dyn
Soft swimming: Exploiting deformable interfaces for low-Reynolds number locomotion
往复运动不能用于在低雷诺数下在无限流体中或刚性表面附近的运动。在这里，我们表明，对于在可变形界面附近进行往复运动的物体，这一限制是放松的。使用物理参数和缩放关系，我们表明，由相互流动引起的界面变形所产生的非线性整流的游泳者的周期性运动，导致运动。这样的策略可以用来移动朝向，远离和平行于任何可变形的界面，只要涉及的长度尺度小于内在尺度，我们确定。一个近自由面的宏观扑翼运动实验说明了这一新的结果。
2008-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Propulsion and far-field hydrodynamics of linked-sphere microswimmers with viscoelastic deformability
Indian Institute of Technology Kanpur（坎普尔印度理工学院）
研究了通过递归驱动的微游泳器动力学，分析了连接球设计的推进性能及远场流体动力学特征，揭示了粘弹性变形对游泳方向和流体特征的影响。
2026-04-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Enhanced active swimming in viscoelastic fluids
游动微生物通常在具有复杂流变性的流体中自推进。虽然过去的理论研究表明，流体的粘弹性应该会阻碍它们的运动，但最近对挥动游泳者的实验表明，运动可能会增强非牛顿运动。我们提出了一个物理机制，基于流体-结构相互作用，导致在粘弹性流体中以比牛顿流体更高的速度游泳。使用泰勒的二维游泳片模型，我们解决了作为外部流体应力，内部驱动力矩和被动弹性阻力之间的平衡的主动游泳者的形状。我们表明，这种动态平衡导致一个通用的过渡，从受阻刚性游泳增强灵活的运动。结果被物理解释为由于粘弹性吸力增加游泳振幅在非牛顿流体和克服粘弹性阻尼。
2014-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Adapting the Teubner reciprocal relations for stokeslet objects
自我推进的胶体游泳者通过向后推动邻近的流体来移动。非对称物体的最终运动取决于在其表面上推动速度的分布。我们描述了一种方法，预测所产生的运动从任意的速度分布在一个给定的身体形状，使用离散源“stokeslet”表示。净速度和角速度是表面上每个点的贡献之和。给定点的贡献仅取决于形状。我们给出了一个数值方法来找到这些贡献的stokeslet位置定义的形状。每一个贡献是由线性操作的Oseen相互作用矩阵对stokeslets之间。我们首先适应离散源的洛伦兹互易定理。然后，我们使用该定理来实现Teubner[1]的方法，以确定非均匀带电体的电泳迁移率。
2019-07-17 cond-mat.soft
The hydrodynamics of swimming microorganisms
粘性液体中的细胞运动是普遍存在的，并影响许多生物过程，包括繁殖，感染和海洋生物生态系统。在这里，我们审查的生物物理和机械原理的运动在小尺度相关的细胞游泳（几十微米及以下）。重点是基本的流动物理现象发生在这个惯性领域，重点是简单的物理图片。我们回顾了低雷诺数流动的基本特性，特别注意与游泳最相关的方面，如固体的阻力矩阵，流动奇点，净平移的运动学要求。然后，我们回顾经典的理论工作细胞运动：早期计算的速度游泳者规定的中风，并应用连续力理论和细长体理论鞭毛运动。在回顾了鞭毛被驱动的物理手段后，我们概述了活跃的研究领域，包括流体动力学相互作用，复杂流体中的生物运动，小规模人工游泳者的设计，以及运动策略的优化。
2008-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stresslets induced by active swimmers
活性粒子作为力偶极子或应力波干扰周围的流体，这决定了它们的集体动力学。与游泳速度不同，由于缺乏合适的理论框架，任意几何形状的活性颗粒的应力很少被确定。我们提出了一个通用的方法，根据斯托克斯流的互易定理，计算stresslets作为粒子表面上的速度的积分，我们说明了球形化学活性粒子。我们的方法将允许调整人工游泳者的应力波，并在复杂的环境中定制他们的集体运动。
2019-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
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
Life around the scallop theorem
小尺度上的运动主要受粘性力的影响，因此受到很强的物理和数学约束。以下珀塞尔的声明的扇贝定理，界定的类型的游泳者的设计，是不是有效的小规模，我们审查的不同方式的限制定理可以逃脱运动的目的。
2010-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Reciprocal microswimmers in a viscoelastic fluid
我们提出了几个互惠的游泳机制，导致运动只在粘弹性流体。第一种情况是具有三球体微型游泳者的振荡臂运动的两个振幅之间的差异。第二种情况是当手臂运动的频率之一是另一个三球的microswimmer的两倍大。第三种情况是当两个球体的大小不同时。在所有这三种情况下，平均速度与周围粘弹性介质的复数剪切粘度的虚部成比例。为了使微机械在粘弹性流体中游动，必须打破其结构对称性。
2020-08-23 cond-mat.soft
Small-amplitude swimmers can self-propel faster in viscoelastic fluids
许多小型生物体利用其身体或附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。例如，小型线虫利用全身波动在土壤中移动，或精子利用鞭毛波在粘液中游动。当自推进发生在非牛顿流体中时，一个基本问题是运动是否会比在牛顿环境中更快或更慢。在这里，我们考虑的一般问题，游泳使用小振幅周期波的粘弹性流体所描述的经典Oldrophil-B本构关系。使用泰勒的游泳片模型，我们表明，如果所有的行波在同一方向上移动，运动速度的生物体系统地降低。然而，如果我们允许波在两个相反的方向上行进，我们表明，这可能会导致游泳速度的提高，这在物理上被解释为由于具有不同频率的波的非对称粘弹性阻尼。游泳方向的改变也是可能的。通过详细分析使用两个或三个行波游泳的情况下，我们表明，游泳可以提高在粘弹性流体中的所有德博拉数低于临界值，或三个波或更多，只有一个有限的，非零范围内的德博拉数，在这种情况下，需要在流体中的弹性有限的量，以增加游泳速度。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Emergent dynamics and spatiotemporal patterns in soft robotic swarms
本文研究螺旋磁驱动软体机器人在粘性流体中的三维集体游动，揭示游动方向差异导致吸引、横向差异导致排斥并最终收敛于单一横向平面径向漂移的涌现时空模式。
2024-09-30 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
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
Scallop Theorem for Swimming in Anisotropic Fluids
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Kent State University（肯特州立大学）；University of Ljubljana（卢布尔雅那大学）；University of Warwick（华威大学）；Jožef Stefan Institute（约瑟夫·斯特凡研究所）
该研究通过实验与分析结合，发现各向同性流体中无效的往复游泳在向列相液晶中有效，从而将扇贝定理推广至结构化流体。
2026-10-08 cond-mat.soft
Micro-swimmer collective dynamics in Brinkman flows
本研究针对复杂生境中微型游泳者的集体动力学问题，建立Brinkman湿多孔介质中的连续介质耦合理论，通过分析与模拟发现阻力可延迟、阻碍甚至完全抑制集体游泳不稳定性，为相关实验提供理论参考。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Lorentz Reciprocal Theorem in Fluids with Odd Viscosity
本文将洛伦兹互易定理推广到具有奇数粘性的手性活性流体，通过选择奇数粘性符号相反的辅助问题实现，并证明该定理可区分两类微型游泳体，其中扭矩偶极子可产生定向运动。
2023-09-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Swimming of microorganisms in quasi-2D membranes
生物游泳者经常在几何限制的介质中航行。我们研究了游泳运动员的规定行程问题，该问题局限于嵌入在不同粘度的流体中的平面粘性膜。在它们的运动中，微观游泳者扰乱了膜和本体中的流体。出现的流动具有二维（2D）和三维（3D）流体动力学特征的组合，并且这样的流动被称为准2D。准2D流体中从2D到3D流体动力学的交叉由Saffman长度控制，Saffman长度是由2D膜粘度与包埋体相流体的3D粘度的比率给出的长度尺度。我们已经开发了一种计算和理论的方法的基础上的边界元法和洛伦兹互易定理研究的范围内的值的Saffman长度的微生物的游泳。我们发现，一个鞭毛传播横向正弦波在准二维膜可以开发一个游泳速度超过纯二维或三维流体，而一个二维蠕动的推进减慢的存在下的散装流体。
2020-02-06 cond-mat.soft
Fake $μ$s: A cautionary tail of shear-thinning locomotion
通过液体推进是许多微生物生命周期的关键组成部分，无论是在发育，感染还是仅仅寻找营养物质。在与生物医学相关的系统中，这种推进力通常是通过聚合物悬浮液来实现的，聚合物悬浮液赋予流体复杂的非牛顿特性，例如剪切稀化和粘弹性行为。由于三维非牛顿模型的复杂性，二维波动推进最近被广泛研究，作为获得这些系统的物理直观的一种手段。然而，虽然流线，游泳速度和游泳者轨迹在2D和3D牛顿计算中惊人地相似，但非牛顿流体中的行为取决于流动导数，例如剪切速率，这是完全不同的。以剪切稀化为例流变学，在生理粘液等生物液体中普遍存在，这种交流表明，如果不考虑这种差异，可能会误导我们对3D非牛顿游泳的理解。
2017-08-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microscale locomotion in a nematic liquid crystal
微生物经常遇到各向异性，例如在粘液和生物膜中。我们研究了环境流体的各向异性和弹性如何影响规定行程的游泳微生物的速度。最近的实验游泳细菌在各向异性环境中的动机，我们扩展了一个经典的游泳微生物模型，泰勒游泳片，驱动的横向或纵向行波在三维无扭曲的液晶液晶。我们计算的游泳速度和夹带的体积流量作为一个函数的游泳者的行程特性，以及弹性和流变性能的液晶。除了在小埃里克森数的情况下，在一个六角液晶的行为是定量和定性近似和在一个湍流参数附近的过渡到一个流动对齐的湍流，其中各向异性效应占主导地位的流体。我们还提出了一种新的方法，游泳或泵的可膨胀流体通过通过行波的导向器振荡沿刚性壁。
2015-09-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Helical propulsion in shear-thinning fluids
游动的微生物通常必须在复杂的非牛顿流体中推进。我们进行了实验与自我推进的螺旋游泳驱动的外部旋转磁场在剪切变稀，非弹性流体。类似于在牛顿流体中游泳，我们获得每种流体的运动速度，其与游泳者的旋转频率成线性比例，但具有取决于流体的功率指数的前因子。流体被认为总是增加螺旋的游泳速度，最多快50%，因此是迄今为止报道的最强的此类类型。流体动力指数约为0.6时的最大相对增加。使用简单的缩放，我们认为，速度的增加是不是由于螺旋丝周围的流动粘度的局部降低，而是假设，它起源于限制，由于周围的游泳者的粘度分层的效果。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Physics of Rheologically-Enhanced Propulsion: Different Strokes in Generalized Stokes
剪切稀化是许多生物流体（例如粘液）的重要流变性质，由此流体的表观粘度随着剪切而降低。某些微观游泳者已经被证明可以通过剪切稀化流体更快地前进，但是这种行为对所有微观游泳者都是通用的吗？剪切稀化流变学通过什么物理机制影响游泳者的推进力？我们研究游泳运动员采用规定的中风运动学在二维，惯性Carreau流体：剪切稀化“广义斯托克斯”流。游泳者建模，使用的方法femlets，由一组沉浸，正规化的力量。控制流体动力学的方程，然后在贴体网格上离散，并用有限元法求解。我们分析了三种不同类型的微型游泳者的运动：（1）概念游泳者，包括采用一维和二维中风的滑动球体，（2）滑速包络模型的纤毛虫通常被称为“蠕动”和（3）单鞭毛推进器，如精子。我们发现，形态相同的游泳运动员与不同的中风可能会游得更快或更慢的剪切稀流体比牛顿流体。我们解释这种运动学的敏感性，通过考虑周围的推进和有效载荷元素的游泳者的流体的粘度的差异，并使用这种见解，建议两个相互滑动的球体游泳者违反珀塞尔的扇贝定理在剪切稀化流体。我们还表明，剪切稀化流变学所产生的流量衰减率增加与滑动速度蠕动的游泳速度的减少。对于像精子一样的游泳者来说，沿着鞭毛由厚到薄的流体梯度改变了它施加在流体上的力，使轨迹变平，并增加了瞬时游泳速度。
2013-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal frequency for undulatory motion in granular media
针对沙中游动速度与波状频率及床高的非单调依赖关系，提出准二维颗粒模型，通过粗粒化摩擦力模拟床高影响，发现最优频率与游动器第二振动模式重合，并基于流变特性揭示了机制，为人工游动器设计提供指导。
2024-04-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
How inertial lift affects the dynamics of a microswimmer in Poiseuille flow
我们分析了在压力驱动的Poiffille流，流体惯性很小，但不可忽略的动力学的microswimmer。使用微扰理论和互易定理，我们表明，除了经典的惯性升力的被动粒子，主动性质产生一个“游泳升力”，我们评估中性和推/拉型游泳者。考虑到流体惯性，产生了丰富的新的复杂动力学谱，包括翻滚状态，其中翻滚与稳定的中心线游泳或摆动共存。动态是敏感的游泳者的流体动力学签名，远远超出了在消失的流体惯性的结果。我们的工作将有非平凡的影响，在微通道中的主动悬浮液的运输和分散。
2021-09-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Magnetic Levitation Stabilized by Streaming Fluid Flows
我们证明，无处不在的实验室磁力搅拌器提供了一个简单的被动磁悬浮的方法，其中所谓的“跳蚤”无限期地悬浮。我们研究的发病悬浮和量化跳蚤的运动（垂直振荡，旋转和“摇摆”的组合），发现良好的协议与机械分析模型。这种摇摆运动推动了循环流动，产生了向心反作用力，使跳蚤稳定下来。我们的研究结果对人工游泳者的运动，双向微流体泵的发展具有影响，并为复杂的商业悬浮器提供了一种替代方案。
2018-05-24 cond-mat.soft
Optimal Ciliary Locomotion of Axisymmetric Microswimmers
本文数值优化了轴对称微游泳者的纤毛运动，发现扁长形状可提升两倍效率，而凹形形状的最优运动与球形不同，且约束纤毛长度可平均提高效率。
2021-08-18 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
A Reduced Model for a Phoretic Swimmer
我们考虑一个二维模型的自泳颗粒，其中的颗粒具有圆形的形状和发射/吸收的溶质，扩散和平流的悬浮液。超过一定的发射/吸收速率（由无量纲的Péclet数$Pe$表征），已知粒子经历从非运动状态到运动状态的分叉，具有不同的轨迹，通过逐渐增加$Pe$从直线运动到圆形运动和混沌运动。从包含溶质扩散和平流的完整模型出发，我们导出了一个简化的封闭模型，它只包含两个与时间相关的振幅$C_1(t)$和$C_2(t)$，对应于溶质浓度场的前两个傅立叶模式。该模型由两个耦合的非线性常微分方程的$C_1$和$C_2$，并提出了几个很大的优势：（i）的直线和圆周运动可以完全解析处理，（ii）复杂的运动，如混沌可以进行数值分析非常有效地比较，在数字昂贵的全模型，涉及偏微分方程，（iii）减少模型具有一个通用的形式只规定的对称性，（iv）该模型可以扩展到更高的傅立叶模式。为了简单起见，推导方法被例示为2D模型，但是可以容易地扩展到3D，不仅对于当前选择的泳动模型，而且对于其中化学活性触发运动的任何模型。例如，在涉及肌动蛋白动力学的细胞运动性领域中可以找到一个典型的例子。这种策略提供了一个有趣的方式来应付游泳运动员的基础上常微分方程，允许分析的易处理性和有效的数值处理。
2021-12-22 cond-mat.soft nlin.PS
Spontaneous vortex formation by microswimmers with retarded attractions
无生命粒子的集体状态通过物理相互作用和热运动自组装。尽管有一些现象学上的相似之处，包括临界性的特征，但将能动的代理人绑定到羊群，牛群或群中的自主动力学允许更丰富的行为。低维模型已经暗示了感知信息、决策和反馈在这方面所起的关键作用，这意味着相应的相互作用不可避免地被推迟。在这里，我们提出的实验球形布朗microswimmer延迟自我推进到一个空间固定的目标。我们观察到一个自发对称性破缺的瞬态手征动力学状态和随之而来的临界行为，不依赖于多粒子协同。通过与单个运动员的随机延迟微分运动方程的比较，我们指出延迟诱导的游泳运动员与他们自己的过去的有效同步是其关键机制。越来越多的游泳者自我组织成具有顺向和逆向轨道运动的层，通过空间和流体动力学相互作用来同步和稳定。我们的研究结果表明，即使是最简单的迟滞非互惠的相互作用，可以促进新兴的复杂的适应行为在相对较小的合奏。
2022-06-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Fluid-Induced Propulsion of Rigid Particles in Wormlike Micellar Solutions
在没有惯性的情况下，往复游泳者在粘性牛顿流体中没有净运动。在这里，我们调查的能力，一个驱动的粒子通过一个复杂的流体，拥有一个网络，使用跟踪方法和双折射成像平移。一个几何极性的粒子，一个一端有珠子的棒，在磁场的作用下旋转。将颗粒浸入蠕虫状胶束（WLM）溶液中，已知该溶液由于其微观结构的剪切诱导重塑而易于形成剪切带和其他局部结构。结果表明，该WLM解的非线性在一定条件下打破了时间反演的对称性，使人工“游泳者”能够推进。“我们发现三种状态取决于德博拉数（De）：在低De时朝向粒子珠端的净运动，在中间De时朝向粒子杆端的净运动，在高De时没有明显的推进力。在低De下，其中颗粒时间尺度比流体弛豫时间长，我们认为推进是由颗粒两端（珠和杆）之间的流体第一法向应力差的不平衡引起的。然而，在De~1处，我们使用双折射成像观察到在杆附近出现网络各向异性区域。这种各向异性表明胶束网络的排列，由于颗粒相对于流体的时间尺度较短，胶束网络被"锁定"。
2014-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The Scallop Theorem and Swimming at the Mesoscale
通过协同建模，仿真和实验相结合，我们表明，存在一个政权的自推进中的流体动力学的惯性可以从游泳者分离。这是证明了一个不对称的哑铃，尽管在一个相互的方式变形，自我传播的流体中，由于非互易斯托克斯流场的运动。后者是由两种构成珠粒的滑行时间的差异引起的。这种不对称性作为第二个自由度，恢复扇贝定理在介观尺度。
2020-08-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Efficiency optimization and symmetry-breaking in a model of ciliary locomotion
各种各样的游泳微生物，称为纤毛虫，利用大量小而密集的细胞器（称为纤毛）的弯曲，以便在粘性流体中推动自己。我们认为这样的纤毛运动的动态的个别纤毛被替换为一个连续的覆盖表面允许切向变形本身的球形信封模型。采用变分的方法，我们确定数值的时间周期性变形的表面，导致低雷诺运动的最小速率的能量耗散（最大效率）。采用拉格朗日和欧拉的观点，我们表明，在最佳的游泳行程，个别纤毛显示弱的不对称跳动，但一个显着的破膜发生在有机体水平，整个表面变形的波浪状的时尚让人想起异时波的生物纤毛。这波动进行了分析，使用一个正式的模态分解，发现发生在相同的方向作为游泳的方向，并解释为由于空间分布的相位差的运动学的个别纤毛。使用额外的约束优化，以及一个构造的分析animals，我们推导出一个完整的优化图，其中所有的游泳效率，游泳速度，和幅度的表面变形可以达到数学上最优的游泳者，效率的一半，是一个奇异的限制。因此，从生物学上讲，我们的工作表明，异时波可能允许纤毛推动细胞前进，同时减少周围液体中耗散的能量。
2010-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Odd elastohydrodynamics: non-reciprocal living material in a viscous fluid
本研究通过扩展奇弹性至非线性区域，提出低雷诺数流体中活性弹性材料游泳动力学的一般框架，并基于模型与生物实验数据证明非局域非互惠描述的广泛适用性，为活性与生命物质物理学提供统一框架。
2023-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motion of microswimmers in cylindrical microchannels
提出类似squirmer的模型研究圆柱形微通道中微型游泳者的运动，发现推进力随约束增强而增加，但游泳速度始终低于无约束状态，不同游泳模式对死胡同推进力影响显著。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
Hydrodynamics of an odd active surfer in a chiral fluid
本研究探讨线性活性微型游泳者在具有奇数粘度的可压缩薄流体层上的低雷诺数流体动力学，发现单个游泳者沿圆形路径运动且半径与奇数粘度成反比，而游泳者对则展现出依赖推进机制和初始取向的丰富两体动力学。
2023-07-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Modeling of uniflagellated bacterial locomotion in unbounded fluid and near a no-slip plane surface
本文数值研究了单鞭毛细菌在无界流体和平面表面附近的运动，通过弹性流体动力学模型发现拉模式被表面吸引，推模式的行为取决于鞭毛刚度、离子浓度和细胞体长宽比，为理解细菌行为和设计仿生微型机器人提供了依据。
2023-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
