Collective behavior of self-propelled rods with quorum sensing
活性剂-如运动性测定中的泳动颗粒、细菌、精子和细胞骨架丝-显示出多种多样的运动性诱导的集体行为，如聚集、聚集和相分离。在生物膜形成过程中，泳动颗粒和细菌的致密悬浮液的行为由两种主要的物理机制决定：（i）体积排阻（短程空间排斥）和（ii）群体感应（由于局部化学环境的改变而导致的较长距离的减少的推进）。为了系统地表征这样的系统，我们研究半穿透自推进杆在两个维度上，与推进力，随着当地杆密度的增加，采用布朗动力学模拟。体积排斥和群体感应都导致相分离，然而，结构和杆动力学有很大的不同。群体感应增强了团簇的极性，诱导了团簇边缘的杆状细胞的非对称性，并增强了团簇形成。对于系统，其中杆在高密度下基本上变得被动，观察到星状和条纹的形成。与具有较小纵横比的杆相比，具有较大纵横比的杆系统显示出更有序的结构，这是由于它们具有更强的对齐，具有几乎圆形的星状结构，以获得强烈的密度依赖性推进力。随着群体感应相互作用范围的增大，局域密度减小，星状结构变得不稳定，并出现极性刺猬簇和具有结构域的簇。我们的研究结果表征结构的形成和动力学由于两个质量不同的相互作用机制，空间位阻和群体感应，这两个相关的工程泳微泳以及生物膜形成的细菌的竞争。
2018-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active screws: Emergent active chiral nematics of spinning self-propelled rods
Institute for Theoretical Physics, Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学理论物理研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学凝聚态物理系）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚高级研究学院）
研究通过主动螺旋体的旋转运动，揭示了集体手性流动的形成机制，对社会细菌群体和单细胞寄生虫群体行为有重要意义。
2026-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-propelled rods exhibit a novel phase-separated state characterized by the presence of active stresses and the ejection of polar clusters
我们研究收集的自推进杆（SPR）在两个维度上移动的包装分数小于或等于0.3。我们发现，在临界温度下，SPR发生了从无序气体到新的相分离系统态的相变。有趣的是，（全球）取向秩序模式-相反，已经建议-消失在这个限制。在发现的新状态下，SPR自组织成一个高度动态的，高密度的，紧凑的区域-我们称之为聚集体-它被无序气体包围。聚集体内部的主动应力是局部取向有序和主动力共同作用的结果。这导致了这些聚合物最显著的特征：SPR极性簇的不断喷射。这种新的相分离状态代表了一种新的物质状态，其特征在于体积和形状的大波动，与质量喷射有关，并表现出位置和取向的局部秩序。由于密度、活性应力和取向顺序之间的耦合（这种耦合不能简单地简化为速度和密度之间的耦合），SPR系统显示出在其他活性物质系统中看不到的新物理。
2015-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamics of passive and active rods in a temperature gradient
该研究通过粗粒化流体动力学方法，研究了在温度梯度作用下二维基底上自推进硬杆的集体行为，并分析了被动与主动极限下的稳态及稳定性。
2023-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective Dynamics of Self-propelled Semiflexible Filaments
本文利用自驱动蠕虫状链模型研究半柔性丝状体的集体动力学，发现通过调节弯曲刚度、活性和长径比可诱导出包括螺旋相、团簇相和活性湍流等多种非平衡相态，为组织活性物质提供了可调稳态参考。
2018-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Noncentral forces mediated between inclusions in a bath of active Brownian rods
使用布朗动力学模拟，我们研究了有效的相互作用之间的两个相同的和不可渗透的磁盘（夹杂物）浸泡在浴缸中的相同的，积极的（自推进），布朗杆在两个空间维度，假设自推进轴的杆通常可能会偏离他们的纵轴。当自推进是横向的（垂直于棒轴），聚集的活性棒周围的夹杂物显着增强，导致更膨胀的空间分层（环的形成）的棒周围的夹杂物，与纵向自推进棒的参考情况相比。因此，横向自推进杆还介导了夹杂物之间的显著更长范围的有效相互作用。浴介导的相互作用的出现是由于围绕夹杂物形成的活性棒环之间的重叠，因为它们被带入小的分离。当自推进轴相对于棒轴倾斜时，我们发现围绕内含物二聚体的活性棒积累的不对称不平衡。这导致了一个非中心的相互作用，具有反平行对横向力分量，因此，浴介导的扭矩的二聚体。
2021-07-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Polar vs. apolar alignment in systems of polar self-propelled particles
极性自推进粒子系统中的排列机制的对称性决定了可能出现的宏观大尺度图案。在这里，我们比较极性和非极性排列。这些系统有一些共同的特点，如巨大的数字波动的有序相和自偏析的形式带附近的开始取向秩序。尽管有这些相似之处，但仍有本质的差异，如有序相的对称性和能带的稳定性。
2013-02-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active nonreciprocal attraction between motile particles in an elastic medium
我们从振动激活颗粒物质的实验和模拟中发现，自推进的极杆在弹性介质中的基板上转动并朝向彼此移动。我们通过运动粒子的粗粒度理论来解释这种有效的吸引力，运动粒子是一种移动的点力密度，它在介质中产生弹性应变，使其他粒子重新定向。我们的测量定性地证实了棒产生的扭曲的预测特征，包括拖尾位移场的$|x|^{-1/2}$尾部和非互易感测和追踪。沿运动方向和垂直于运动方向的位移量之间的差异仍然存在。我们的理论应该与细胞外基质或凝胶或组织支持层中运动细胞的相互作用有关。
2022-05-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Run-and-Tumble Dynamics of Self-Propelled Particles in Confinement
奔跑翻滚动力学是一种广泛存在的游动细菌机制。在二维和三维空间低密度极限条件下，从理论上和数值上研究了不透水表面附近翻滚运动的微型游泳者的积累。单峰和指数分布的运行长度被认为是。与{指数分布的游程长度}相反，恒定的游程长度导致表面附近颗粒的密度分布中的{峰值和耗尽区域}。最后，我们提出了一个普遍的积累规律，为大通道宽度，这不仅适用于运行和翻滚的游泳者，但也适用于许多其他类型的自推进粒子。
2015-03-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-Organized Vortices of Circling Self-Propelled Particles and Curved Active Flagella
当自推进点状粒子的平移速度和与其取向矢量相关的角速度都为常数时，粒子沿圆形轨道运动。我们研究的集体行为的合奏这样的圆游泳布朗动力学模拟。如果粒子通过相邻粒子之间的“速度-轨迹协调”规则相互作用，则会出现自组织的漩涡图案。该涡旋模式的特征在于其粒子密度关联函数$G_ρ$、轨迹中心的密度关联函数$G_c$和表示粒子聚集程度的序参量$S$。在这里，我们系统地改变系统的参数，如粒子密度和相互作用的范围，以揭示系统的过渡，从轻涡为主的重涡为主的状态，其中涡主要包含一个单一的和许多自推进的粒子，分别。我们还研究了弯曲，正弦跳动鞭毛的半稀溶液，作为一个例子，循环自推进粒子明确的推进机制和排除体积的相互作用。我们的模拟结果与以前的实验结果进行了比较，海胆精子溶液附近的墙壁。模拟和实验中的涡旋特性在数量上是一致的。
2014-02-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stress anisotropy in confined populations of growing rods
由于组成颗粒的可降解性，在棒状细菌的生长菌落中，秩序和排列是普遍存在的。这些效应是由生长产生的主动应力、细胞之间的被动机械相互作用以及由于限制容器的形状引起的流动诱导效应的结果。然而，这些促成因素如何相互作用，以产生所观察到的全球对齐模式仍然难以捉摸。在这里，我们研究，在硅片上，生长的棒状颗粒的不同纵横比的限制在通道状的几何形状的殖民地。应力张量的空间分辨分析揭示了具有大的长宽比的颗粒的应力各向异性的反演和近乎完美的对齐之间的强烈关系。我们表明，在定量协议的渐近理论，强对齐可以导致解耦的主动和被动应力平行和垂直于生长方向，分别。我们证明了这些影响的鲁棒性，在几何形状，提供较少的限制性的限制，并引入自然的扰动对齐。我们的研究结果说明了所产生的复杂性，从内在的耦合之间的顺序和积极的应力在不断增长的活性物质，这是调制的几何和构型的限制，由于禁闭。
2022-07-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Circular motion of asymmetric self-propelling particles
100微米大小的自推进（活性）粒子可以被认为是表征更复杂的生物有机体（如游动细菌或运动细胞）的模型系统。我们用软光刻技术制作了非对称的微泳者，并研究了它们在衬底上和通道边界附近的圆周运动。我们的实验观察是完全符合布朗动力学理论的不对称自推进粒子，耦合他们的平移和定向运动。
2013-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Capture and translocation of a rod-like molecule by a nanopore: orientation, charge distribution and hydrodynamics
我们研究易位棒不同的电荷分布，使用混合Langevin动力学和格子玻尔兹曼（LD-LB）模拟。使用$P^3M$算法将静电相互作用添加到系统中以模拟电流体动力相互作用（EHI）。我们首先研究了自由溶液的电泳性能的杆与各种电荷分布。我们的易位模拟结果表明，尽管电场线是对称的，但在捕获和逃逸过程中，序参量是不对称的，而在捕获过程中，电荷分布对棒取向的影响更为显著.捕获/穿线/逃逸时间是在电荷屏蔽、棒取向和电荷分布的综合影响下。我们还表明，杆的平均捕获时间是较短的，当它是在墙壁附近发射，因为杆往往沿着墙壁对齐，因此与当地的场线。值得注意的是，\textit{orientational capture radius}，我们以前提出的均匀带电棒仍然是有效的存在EHI。
2022-05-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Existence of three distinct scaling regimes in self-propelled rigid pitching airfoil
本研究通过旋转实验装置探究正弦俯仰NACA0015翼型的自推进特性，发现三种对应不同俯仰位置与振幅的标度律，揭示尾涡模式与推进速度的关联，构建了经实验验证的刚性俯仰翼型自推进研究框架。
2025-06-12 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Large density expansion of a hydrodynamic theory for self-propelled particles
近年来，人们提出了一种适用于Vicsek型自推进粒子模型的Enskog型动力学理论[T。Ihle，Phys.Rev.E83，030901（2011）]。该理论基于相空间中马尔可夫链的精确方程，并且不限于小密度。以前，流体动力学方程是从这个理论推导出来的，它的输运系数是以无穷级数形式给出的。在这里，我表明，输运系数采取一个简单的形式在大密度极限。这使我能够分析评估众所周知的密度不稳定性的极性有序相附近的植绒阈值在中等和大密度。纵向扰动的增长率计算和几个标度制度，包括三个不同的幂律，被确定。结果表明，在大密度下，在较小的噪声下，有序相的再稳定化在流体动力学理论的有效范围内是解析可及的。给出了不稳定带的宽度、最大增长率和波数的解析预测。特别是，系统的大小低于均匀有序状态的空间扰动是稳定的，预测规模与$\sqrt{M}$，其中$M$是碰撞伙伴的平均数。计算了直到不稳定性变得可见的典型时间尺度，并且与M成比例。
2015-01-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Boundary-Mediated Phases of Self-Propelled Kuramoto Particles
INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；Department of Physics and Astronomy, University of Padova（帕多瓦大学物理与天文学系）
研究边界条件对自推进Kuramoto粒子集体行为的影响，揭示驱动机制如何导致不同聚集态。
2026-03-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamics of self-propulsion near a boundary: predictions and accuracy of far-field approximations
自推进生物体或合成装置在粘性流体中的游泳轨迹可以通过与附近边界的流体动力学相互作用而改变。我们探讨了一个多极描述的游泳机构，并提供了一个总体框架，研究流体介导的修改游泳轨迹。远场描述的有效性探讨了不同的几何形状和推进活动的模型游泳者的选择与完整的数值模拟比较。简化模型，然后用于提供简单而准确的预测流体动力学产生的壁吸引力和俯仰动力学，并可能有助于解释一些实验结果。
2012-11-29 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Near and far-field hydrodynamic interaction of two chiral squirmers
水动力相互作用强烈地影响着微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个自推进手征泳者在低雷诺数区域的行为，同时考虑了近场和远场的相互作用。我们使用的手征蠕动模型，一个非轴对称的表面滑移速度，它概括了著名的蠕动模型的球形体。我们计算了当游泳者彼此非常接近时，他们之间的润滑力。通过改变滑移系数和游泳者的初始构型，我们研究了他们的水动力行为。在存在润滑力的情况下，游泳者要么彼此排斥，要么表现出游泳者之间的距离周期性地改变的有界运动。在某些参数范围内，润滑力有利于有界运动。本研究有助于理解纤毛虫微生物密悬液和人工游泳者的集体行为。
2022-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
The dynamics of scattering in undulatory active collisions
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；California State University, Los Angeles（加利福尼亚州立大学洛杉矶分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
自然和人工自推进系统必须在运动过程中管理环境相互作用。这种相互作用，我们称之为主动碰撞，与经典物理学中研究的动量守恒相互作用有着根本的不同，这主要是因为运动的内部驱动可以导致与异质性的持续接触。在这里，我们的实验和数值研究的横向起伏的感觉剥夺robophysical模型，其动态适用于跨长度尺度和环境的自推进系统的主动碰撞的影响。机器人通过身体部分的空间波动移动，具有接近线性的几何中心轨迹。与单个刚性柱的相互作用分散机器人，并且这些偏转与头柱接触持续时间成比例。散射角的分布是平滑的，并且在柱的正后方具有强峰值。与单排均匀间隔的柱（柱间间距为$d$）的相互作用产生的分布使人联想到远场衍射图案：随着$d$减小，随着大的偏转变得更可能，出现明显的次级峰。令人惊讶的是，我们发现，多个职位的存在并没有改变个别碰撞的性质，相反，多模态散射模式产生多个职位改变个别碰撞发生的可能性。随着$d$的减小，柱前缘附近的碰撞变得更有可能，并且我们发现这些相互作用与更大的偏转有关。我们的研究结果强调了自推进系统主动碰撞期间可能发生的令人惊讶的动力学，可以为复杂地形中的运动器的控制原理提供信息，并促进具有任务能力的活性物质的设计。
2018-06-11 cs.RO physics.bio-ph physics.class-ph
Flocking at a distance in active granular matter
大量生物朝着一个方向的自我组织运动是涌现秩序的一个壮观的例子。我们使用致动非生命组件重现这种现象。我们在这里报告，毫米大小的锥形棒，呈现能动的接触与底层振动表面和相互作用通过介质的球形珠，经历一个相变的状态自发对齐的速度和方向以上的阈值珠面积分数。在详细的模拟模型的指导下，我们构建了一个分析理论，这种植绒过渡，有两个成分：一个移动的杆拖动珠;相邻的杆重新定向在产生的流像风标在风中。理论和实验一致的结构，我们的相图在平面上的杆和珠浓度和幂律的空间相关性附近的相边界。我们的发现为颗粒或细胞物质的集体运输提出了可能的新机制。
2014-09-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
