Hydrodynamic Synchronization between Objects with Cyclic Rigid Trajectories
由长程流体动力学相互作用引起的同步作为纤毛和鞭毛协调跳动背后的候选机制引起了人们的注意。本文考虑低雷诺数限制下的流体动力学同步的极小模型。该模型由转子组成，每个转子被假定为在周期性变化的驱动力下形成固定轨迹的刚性珠。本文通过线性分析，导出了双转子同步的充要条件。我们还推导出一个非线性演化方程的相位差，这是减少到最小化的一个有效的潜力。计算了各种轨迹形状和几何形状（无论是散装或substrated）的有效潜力，为确定系统的稳定和亚稳态。有限大小的轨迹诱导的电位的不对称性，这也依赖于敏感的轨迹的倾斜。我们的研究结果表明，纤毛或鞭毛的灵活性是{ \it不}一个必要的同步运动，在以前的预期相反。我们讨论了直接实现该模型的可能性，并通过光驱动胶体验证了我们的结果。
2012-11-23 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Patterns of synchronization in the hydrodynamic coupling of active colloids
本文用分段线性模型描述了一个由谐波势驱动的、所有粒子之间具有流体动力学耦合的、围绕正多边形顶点振荡的活性胶体粒子系统，该系统具有多种同步模式。得到了这类动力系统的解析解。仅取决于粒子的数量，同步发生在最近的邻居同相或反相振荡或锁相（时移）轨道的状态中。
2011-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math-ph
Passive hydrodynamic synchronization of two-dimensional swimming cells
众所周知，精子鞭毛在近距离游动时是同步的。我们使用一个模型，由二维片传播横波的位移证明，流体的力量导致这种同步被动。利用两种不同的渐近描述（小振幅和长波长），我们解析地导出了牛顿流体中任意形状波形的同步动力学，并证明了相位锁定总是发生在充分不对称的形状上。我们表征的波形的几何形状和游泳者之间的分离的同步动力学，最终的稳定构象，和能量耗散的细胞的效果。对于两个紧密游动的细胞，同步化总是发生在同相或反相构象，仅取决于细胞的几何形状。相反，游泳者所做的功总是在同相构象下最小化。随着游泳者进一步分开，在相对相位的中间值处出现额外的固定点。此外，使用边界积分法计算大振幅波表明，两个渐近极限捕捉所有相关的物理问题。我们的研究结果提供了一个理论框架，以解决其他相关的自推进生物种群的水动力相互作用现象。
2010-09-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic Synchronisation of Chiral Microswimmers
本文利用大规模数值方法研究了具有手征轨迹的球形微泳者在悬浮液中的同步行为。模型是通用的。它对应于低雷诺数下自推进的一般模型的最低阶解，该模型由非轴对称旋转源偶极子组成。我们表明，纯粹的圆形和螺旋游泳者可以自发地同步旋转。同步状态对应于在极坐标和方位角方向上具有高取向顺序的速度对准。最后，我们考虑一个外消旋混合物的螺旋游泳，观察种内同步，而系统仍然是一个空间均匀的流体。我们的研究结果表明，流体动力学同步作为一个自然的集体现象的手征轨迹的微泳。
2023-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization in a swimming alga
单细胞绿藻Chlamydium游动有两个鞭毛，可以同步它们的节拍。要游得又快又直，就必须要同步打拍子。一个长期存在的假说认为鞭毛的同步化是由流体动力学耦合引起的，但其细节尚不清楚。在这里，我们提出了现实的流体动力学计算和高速跟踪实验的游泳细胞，显示如何从同步状态的扰动导致旋转运动的细胞体。这种旋转通过流体动力学摩擦力反馈到鞭毛动力学上，并迅速恢复我们理论中的同步状态。我们计算，这种“细胞体摇摆”提供了主导的贡献，同步游泳细胞，而直接的鞭毛之间的流体动力学相互作用的贡献可以忽略不计。我们实验证实了我们的理论预测的鞭毛跳动和细胞体摇摆之间的耦合。这项工作也出现在美国国家科学院院刊上：Geyer等人，PNAS 110（45），第18058（6）页，2013年。
2013-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Emergent Synchronization and Defect Dynamics in Confined Chiral Active Suspensions
Peking University（北京大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；Xi'an University of Architecture and Technology（西安建筑科技大学）；University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学）；Univ. Bordeaux（波尔多大学）
通过大规模流体动力学模拟，研究中等雷诺数下受限扭矩驱动粒子悬浮液的自组织：二聚体结晶、倾斜同步，极性指向矢形变并成核±1拓扑缺陷，揭示纯流体动力学同步路径及缺陷介导动力学。
2025-11-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic synchronization and collective dynamics of colloidal particles driven along a circular path
从理论上研究了粒子在光涡旋驱动下沿圆形路径运动的集体动力学，导出了N个粒子的相位方程，同时考虑了粒子之间的流体动力学和排斥相互作用。对于N = 2，粒子相互吸引并同步，形成比单线态移动更快的双线态。对于N = 3和5，我们发现周期性重排的双峰和单。当N = 4和6时，系统呈现周期振荡态或稳定同步态，这取决于初始条件.这些结果再现了以前的实验结果的主要特征。我们定量地讨论了非平凡集体动力学的机制。
2019-09-27 cond-mat.soft nlin.AO
Synchronization and Collective Dynamics in a Carpet of Microfluidic Rotors
我们研究了一个由流体动力相互作用耦合的基片上的转子阵列的同步。由有效刚体建模的转子由内部扭矩驱动并对周围流体施加主动力。转子之间的流体动力相互作用的长程性质导致了丰富的动力学行为模式，包括相序和湍流螺旋波。该模型提供了一个新的例子耦合振荡器与远程相互作用。我们的研究结果建议的策略，设计可控的微流体混合器使用的流体动力学耦合的活性成分的紧急行为。
2010-04-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrodynamic synchronization of externally driven colloids
采用三维直接数值模拟方法研究了封闭粘性流体中外驱动$N_{\rm p}$ -胶体系统（$1\le N_{\rm p}\le 4$）的集体动力学行为。通过改变颗粒雷诺数（由外驱动力的大小决定）和围壁距离，研究了颗粒集体运动的动力学模式。对于含有$N_{\rm p}= 3$的体系，我们发现在临界雷诺数下，发生了从双重态-单重态到三重态的动力学模式转变，这在实验上还没有报道。从两个角度详细分析了动力学模式转变：（1）标记粒子速度随时间演化的谱分析;（2）双态团簇相对于单态粒子的相对加速度。对于一个含有$N_{\rm p}=4$的体系，我们发现了类似的动力学模式转变，从双重态-单重态-单重态模式到三重态-单重态模式，再到四重态模式。
2017-10-21 cond-mat.soft
Transitions in synchronization states of model cilia through basal-connection coupling
尽管有证据表明不同真核细胞之间的鞭毛同步的流体动力学起源，但最近的实验表明，在单个多鞭毛生物中，协调取决于直接的基体连接。然而，这些联系导致协调的机制目前尚不清楚。在这里，我们专注于模型双鞭毛{ \it衣原体reinhardtii}，并提出了一个极小模型的同步，其两个鞭毛作为一个结果，流体动力学和直接的机械耦合。根据细胞内偶联刚度的微小变化，可以选择不同类型的配位谱。这些包括延长的同相和反相同步，以及由系统的自发对称性破缺引起的一系列多稳态。将同步性与细胞内刚度联系起来可能会导致使用鞭毛动力学作为细胞机械状态的探针。
2018-06-17 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
Flagellar Synchronization Through Direct Hydrodynamic Interactions
微尺度流体流动所产生的合奏殴打真核生物鞭毛是至关重要的基本过程，如发展，运动和传感。尽管实验和理论取得了重大进展，但这种惊人协调背后的物理机制仍不清楚。在这里，我们提出了一个新的一系列的实验中，鞭毛动力学的两个微量移液器举行的团藻carteri的体细胞，具有可测量的不同的固有跳动频率，研究了高速成像作为其相互分离和方向的函数。从跳动的时间序列的分析，我们发现，鞭毛间的耦合，这是由细胞之间的化学和机械连接的缺乏纯粹的流体动力学的约束，表现出与理论预测一致的空间依赖性。在紧密的间距，它产生强大的同步，可以占主导地位的数千鞭毛节拍，而在增加分离这种同步系统退化的随机过程。相对鞭毛方向的操纵揭示了同相和反相同步态的存在，这是符合动力学理论。通过动态鞭毛跟踪与精致的时空精度，我们量化的变化，结果从改变耦合配置和分离距离的跳动波形。本研究的实验结果明确证明，鞭毛耦合单独通过流体介质可以实现强大的同步，尽管显着差异，其内在特性。
2014-03-09 cond-mat.soft q-bio.CB
Current-mediated synchronization of a pair of beating non-identical flagella
实验观察到的同步的基本现象学（即，已知双鞭毛藻的相同的跳动鞭毛的随机锁相）被描述耦合的极限环噪声振荡器的动力学的极小模型（称为噪声Kuramoto模型）很好地捕获。如实验所示，其中的噪声项的幅度，这源于旋转马达的波动，取决于鞭毛的长度。在这里，我们解决概念上的重要问题，哪种同步发生，如果两个鞭毛有不同的长度，使噪音作用于他们每个人有不同的幅度。在一个极小模型的基础上，我们也表明，一种不同的同步出现，在这里，它是由一个电流携带，稳态介导的，它体现了自己通过相关的“漂移”的阶段。我们量化这样的同步机制，在适当的序参量$Q$和$Q_{\cal S}$ -为合奏的轨迹和持续时间${\cal S}$，分别为一个单一的实现噪声。通过数值模拟，我们表明，这两种方法变得相同的长观测时间${\cal S}$。这揭示了一个遍历行为，并意味着一个单一的实现序参量$Q_{\cal S}$是适合的实验分析，合奏平均并不总是可能的。
2019-02-27 cond-mat.soft
Elastohydrodynamic Synchronization of Adjacent Beating Flagella
现在已经确定，真核生物的鞭毛或纤毛的相邻跳动对通常在相位上同步。大量的证据支持这一假设，即活动细丝之间的流体动力学耦合，结合波形顺应性，提供了一个强大的同步机制。这种弹性流体动力学机制已被纳入“珠-弹簧”模型，其中鞭毛由径向弹簧束缚的微球体代表，因为内力驱使它们绕轨道运动。虽然这些低维模型再现了同步现象，但它们的参数并不容易与鞭毛的参数相关。更现实的模型，反映轴丝的弹性和主动力的产生采取四阶非线性偏微分方程的形式。虽然计算研究已经表明同步性，由这样的模型所支配的附近的细丝之间的流体动力学耦合的影响已被理论上只在鞭毛间距离$d$大的鞭毛长度相比$L$的制度检查。然而，在许多生物学情况下，$d/L \ll 1$。在这里，我们首先提出了一个渐近分析的两个细丝之间的水动力耦合的制度$d/L \ll 1$，并发现耦合的形式是独立的细节的内力，支配的细丝的运动。这种分析类似于涡丝运动的局部感应近似，并推广到互感的情况。要了解如何耦合机制导致同步的扩展对象，我们引入了一个启发式模型鞭毛跳动，一个单一的四阶非线性PDE的形式是来自对称性的考虑，弹性物理，和过阻尼性质的动态。该模型的分析和数值研究说明了如何通过渐近耦合实现两个灯丝之间的同步。
2016-10-11 cond-mat.soft q-bio.CB
A minimal model for a hydrodynamic fingering instability in microroller suspensions
我们推导出一个最小连续模型，以研究最近在地板附近的微辊悬浮液中发现的指进不稳定性背后的流体动力学机制[Drivel et al. Nature Physics，2016]。我们的模型，由两条连续的线的rotlets，表现出线性不稳定性驱动的流体动力学相互作用，并再现在大尺度粒子模拟和实验中观察到的lengthscale选择。通过调整只有一个参数，两条线之间的距离，我们的色散关系表现出定量的模拟和定性的协议与实验测量。我们的线性稳定性分析表明，这种不稳定性是由附近的无滑动表面的微辊产生的平流和横向流的组合。我们简单的模型提供了一个有趣的形式主义，以表征其他流体动力学不稳定性，尚未得到很好的理解，如尺寸尺度的选择，在悬浮液中的颗粒附近的壁沉积，或最近观察到的形成的旅行声子在系统中的限制驱动粒子。
2017-09-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Realizing the physics of motile cilia synchronization with driven colloids
纤毛和鞭毛在生物系统中经常表现出大规模的协同行为，如“异时波”中的节拍同步。这些是生物学中涌现动力学的美丽例子，对生命至关重要，允许从真核微生物的运动到营养运输和从哺乳动物气道清除病原体的各种过程。这些集体状态是如何产生的还不完全清楚，但很明显，个别纤毛机械相互作用，以及一个强大的和长期的耦合组件是由粘性流体介导的。在这里，我们回顾了我们自己和其他人的工作，旨在了解流体动力学耦合系统的行为，特别是一组已经获得的实验和理论研究积极驱动的胶体系统的结果。在这些受控场景中，可以选择性地测试活体运动纤毛的各个方面，例如几何布置、驱动轮廓的影响以及到无滑动边界的距离。我们概述并举例说明如何将模型系统与对生命系统的观察联系起来，这些观察可以在微生物、细胞培养物或组织切片上进行。这一研究领域具有明确的长期临床应用，因为严重的病理与人类纤毛功能受损有关。
2015-10-13 cond-mat.soft nlin.AO q-bio.QM
Hydrodynamic interactions of cilia on a spherical body
微生物在纤毛排列的表面上形成协调的跳动模式，称为异时波。对于附着在扁平纤毛虫上的纤毛链，已经表明，仅流体动力学相互作用就可以导致系统同步。然而，几种微生物拥有一个曲线形纤毛虫的身体，所以要了解这种几何形状的异时波的形成的影响，我们评估的纤毛附近的一个大的球体的流体动力学相互作用。使用一个极小模型，我们表明，对于一个链的纤毛周围的球体，自然周期性的几何形状导致系统同步。我们还报告了一个紧急的波状行为时，不对称性引入系统。
2015-12-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
