Force-Free and Autonomous Active Brownian Ratchets
Leipzig University（莱比锡大学）；Charles University（查理大学）
研究无外力自主主动布朗马达的机制，通过空间调制但稳定的活动实现布朗粒子运动的定向，发现二维几何是必要条件，最大效率出现在中等活动水平。
2023-03-29 cond-mat.soft
Active Brownian Motion Models and Applications to Ratchets
本文综述了近年来关于主动布朗运动（ABM）模型的研究进展，ABM模型与油藏耦合，油藏提供自由能，自由能可以转化为运动的动能。首先，我们介绍了一个一般的概念，主动布朗粒子是能够采取能源的来源和转换它的一部分，以执行各种活动。在第二部分中，我们的演示文稿，我们考虑应用ABM棘轮系统具有不同形式的可微潜力。分析和数值评估讨论了三种情况下的正弦，阶梯状和Mateos棘轮电位，也与倾斜的潜在结构建模的附加载荷。此外，考虑高斯白噪声扰动的动力学的随机特性进行了研究，这是负责驱动的棘轮中的渐近通量的方向性。这种\textit{stochastically driven directionality}效应被可视化为右与左运动轨迹的统计的强非单调依赖性，导致粒子的净流。本文还简要讨论了棘轮系统在分子马达中的应用
2008-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.data-an
Asymmetry-controlled resonant transport in a Brownian flashing ratchet
Indian Institute of Science Education and Research Mohali（印度科学教育研究院摩哈利分校）；Tata institute of fundamental research（塔塔基础研究所）
该研究针对带分段线性不对称周期势的一维布朗闪烁棘轮，通过数值模拟揭示其稳态电流对切换频率的非单调依赖关系，明确了共振频率的标度规律并给出物理解释。
2026-09-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Single-particle model for a granular ratchet
研究了一个简单的颗粒棘齿模型，该模型对应于单个颗粒从垂直振动的锯齿状基座上弹回。取决于振动强度，粗糙度和恢复系数，水平运输的首选和不利的方向进行观察。一个相位图表示的区域中的参数空间中的三种可能的制度（无电流，正常电流，电流反转）发生。
2003-12-16 cond-mat.soft
Brownian ratchets driven by asymmetric nucleation of hydrolysis waves
我们提出了一个随机过程，其中介导的一维基板上的域的不对称成核的分子运输。轨道驱动的分子转运机制出现在生物物理应用中，如霍利迪连接定位和胶原酶持续合成能力。相反，分子马达，水解核苷酸三磷酸和经历局部分子构象的变化，我们表明，不对称成核的轨道上的水解波也可以导致定向运动的附着粒子。在每个晶格位点上的"水解“和"未水解”状态之间的不对称合作动力学产生移动的畴壁，其推动位于轨道上的粒子。我们使用一种新的波动框架，有限段平均场论，准确地计算稳态速度的驱动粒子，并发现参数制度，产生最大的域壁通量，导致最佳的粒子漂移。
2007-05-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Confined Brownian ratchets
我们分析了在一个封闭的环境中的布朗棘轮的动力学。颗粒的运动由Fick-Jakobs动力学方程描述，其中边界的存在通过熵势来建模。详细分析了闪烁棘轮、两态模型和温度梯度影响下棘轮的情况。我们表明，出现了一个强大的协同性之间的内在整流的棘轮机制和熵偏差的波动所造成的空间限制。在单独作用时，这些机制都不会导致整流的情况下，可能会发生净粒子输运。组合整流机制可能会导致双向运输和新的路线偏析现象。限制布朗棘轮（CBR）可以用来控制传输在介观结构和工程师的新的和更有效的设备在纳米级的传输。
2013-05-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dominance of extreme statistics in a prototype many-body Brownian ratchet
许多形式的细胞运动依赖于布朗棘轮机制，涉及多个随机过程。我们提出了一个计算和理论研究的非平衡统计动力学这样一个多体棘轮，在特定形式的一个不断增长的聚合物凝胶，推动扩散障碍。我们发现，经常被忽视的相关性之间的构成细丝的影响稳态动力学和显着耗尽凝胶的密度在其前沿的分子距离。这些行为被捕获定量的自洽理论在细丝的空间分布的极端波动。
2014-11-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Current and diffusion of Overdamped Active Brownian Particles in a Ratchet Potential
研究了重阻尼作用下球形布朗粒子在周期势场中的输运性质。自推进粒子受到非对称势的作用，失去了细致平衡，粒子产生非零漂移速度。计算了平均电流，并从有效扩散系数分析了颗粒的扩散率。对于手征活性粒子，扩散系数随角速度的增大、粒子被限制在初始位置附近以及平均电流的减小而减小。
2022-11-08 cond-mat.soft
A Biologically Inspired Ratchet Model of Two Coupled Brownian Motors
基于细胞骨架丝上双头分子马达的运动，提出了一个耦合布朗马达的棘轮模型。这种马达被建模为两个弹性耦合的布朗粒子，每个粒子都在闪烁的棘轮势中运动。单个粒子感受到的棘齿电位是反相关的，模拟了两个电机头与细丝的连续绑定和解除绑定。我们得到，通过朗之万模拟，稳态电流作为噪声强度的函数，粒子的平衡分离和潜在状态之间的切换率。我们观察到一个增强的电流，由于耦合，噪声引起的稳定性和锁相行为的确定性制度。这些功能提供了一个定性的理解。
2002-05-11 cond-mat.soft cond-mat.str-el
Moving against the odds with a cyclic active Brownian ratchet: current enhancement and reversal
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Institute for the Dynamics of Complex Systems, University of Göttingen（哥廷根大学复杂系统动力学研究所）；Laboratoire Charles Coulomb (L2C), Université de Montpellier, CNRS（蒙彼利埃大学查尔斯·库隆实验室（L2C），法国国家科学研究中心）
通过周期性调制活性粒子自推进力，在非对称势中实现电流增强与方向反转，为活性粒子选择性分选提供动态控制手段。
2026-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian ratchets: How stronger thermal noise can reduce diffusion
研究了在反射对称性破缺的周期结构棘轮基底上运动的惯性布朗马达的扩散性质。电机由无偏的时间周期对称力驱动，该力使系统脱离热平衡。对于选定的参数集，该系统是在一个非混沌的制度，我们可以确定一个非单调依赖的扩散系数对温度：对于低温，它最初随着温度的增长而增加，通过其局部最大值，接下来开始减少，达到其局部最小值，最后它单调增加根据爱因斯坦线性关系。特别有趣的是扩散被抑制的热噪声的温度区间，我们解释这种效果的三态随机模型的过渡率。
2017-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Stochastic Analysis of a Brownian Ratchet Model for Actin-Based Motility and Integrate-and-Firing Neurons
在最近对{ \it单核细胞增生李斯特菌}运动性{ \em in vitro}的单粒子跟踪（SPT）测量中，对细菌运动的基于肌动蛋白的随机动力学进行了统计分析（Kuo和McGrath，2000）。去趋势轨迹的均方位移（MSD）表现出线性行为;有人建议，对布朗棘轮模型（Peskin，Odell，& Oster，1993）的相应分析导致非单调MSD。提出了一种简化的布朗棘轮模型，当其运动受到细菌运动的限制时，并对模型进行了随机分析。简单模型的分析结果，并进行了统计数据分析。随机细菌运动的MSD是一个二次函数，而趋势消除轨迹的MSD是线性的。通过MSD分析得到了推进菌在长时间内的平均速度和有效扩散常数，以及短时间内的弛豫时间。当细菌施加较大的阻力时，肌动蛋白与细菌之间间隙的MSD呈现振荡行为。肌动蛋白为基础的运动的随机模型在数学上也相当于一个模型的集成和发射神经元。因此，我们的数学结果在其他生物学问题中也有应用。为了比较，连续形式主义的BR模型具有很大的分析简单性也进行了研究。
2001-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
DNA transport by a micromachined Brownian ratchet device
我们已经用微机械加工了一个硅芯片装置，它用一个布朗棘轮来传输DNA，这个布朗棘轮可以纠正微观粒子的布朗运动。DNA 50聚体的输运性质与理论预测一致，DNA扩散常数与以前的实验结果一致。这种类型的微机器可以为DNA或其他带电物质提供通用泵或分离组件，作为微尺度芯片实验室的一部分。具有减小的特征尺寸的设备可以产生基于尺寸的DNA分子分离，其应用包括检测单核苷酸多态性。
1999-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio
Self-propelled Janus particles in a ratchet: Numerical simulations
布朗运输的自推进过阻尼microswimmer（如Janus粒子）在一个二维的周期性分隔通道的数值研究不同的隔室几何形状，边界碰撞动力学，和粒子旋转扩散。由此产生的时间相关的主动布朗运动是受整流的空间不对称的存在。我们证明了Janus粒子的棘轮效应可以比普通的热势棘轮效应强几个数量级，因此可以通过实验获得。特别是，仅通过添加一小部分Janus粒子就可以诱导大量被动粒子混合物的自主泵浦。
2013-06-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Intermediate regimes in granular Brownian motion: Superdiffusion and subdiffusion
本文从理论上和分子动力学方法研究了均匀冷却状态下颗粒气体中的布朗运动。我们使用最简单的第一原理模型的影响速度相关的恢复系数，因为它遵循的粘弹性球体的模型。我们发现，在广泛的初始条件下的布朗和浴粒子的颗粒温度的比例表现出复杂的非单调行为，这导致在布朗动力学的不同制度之间的过渡：它从弹道运动开始，切换到超弹道，并在更晚的时候变成亚扩散，最终实现正常的扩散。我们的理论与MD的结果非常吻合，虽然极端的计算成本阻止检测最终的扩散制度。定性，报告的中间扩散制度是通用的颗粒气体与任何现实的依赖性的恢复系数的影响速度。
2012-09-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian forces in sheared granular matter
我们提出的结果从一系列的实验上的颗粒介质剪切的Couette几何形状，并表明，他们的统计特性可以计算在定量的方式从一组力作用在系统中执行布朗运动的假设。同样的假设已经成功地用于描述其他现象，例如铁磁体中的巴克豪森效应，因此该方案表明自己是更广泛的驱动不稳定性的更一般描述。
2006-02-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Three and four current reversals versus temperature in correlation ratchets with a simple sawtooh potential
本文研究了布朗粒子在无偏热噪声和非平衡对称三能级马尔可夫噪声共同作用下的输运问题。三个和四个电流反转作为温度的函数的新效果建立在这样的相关棘轮。找到了与这些电流反转相关联的不动点的参数空间坐标，并给出了新电流反转存在的充要条件。
2002-10-01 cond-mat.soft
Brownian motor in a granular medium
在这项工作中，我们的实验研究的行为自由旋转的非对称探针浸没在振动的颗粒介质。对于各种各样的振动条件下，探头表现出稳定的旋转，其方向是恒定的相对于不对称性。通过改变振动振幅并过滤不同频带中的噪声，我们表明旋转速度不仅取决于RMS加速度$Γ$，而且还取决于提供给两个单独频带的能量的量，这两个单独频带被揭示为对颗粒介质的动力学是重要的：第一带控制能量从颗粒到探针的传递，第二带通过改变振动流化材料的粘度来影响动力学。
2009-09-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Flux reversal in a two-state symmetric optical thermal ratchet
布朗粒子的随机运动可以通过在两个状态之间交替的周期性势能景观来纠正，即使两个状态都是空间对称的。如果这两种状态的差异仅在于离散平移，则棘轮驱动电流的方向可以通过改变它们的相对持续时间来反转。我们实验证明磁通反转在一个对称的两个状态的棘轮通过跟踪胶体球的运动，通过动态全息光镊创建的离散势能阱的大阵列移动。该模型的简单性和高度的对称性暗示了它在分子尺度马达中的可能应用。
2005-06-13 cond-mat.soft
Granular Brownian motion with dry friction
利用旋转探针与静止颗粒气体接触的方法，对库仑摩擦与随机激励之间的相互作用进行了实验研究。颗粒状材料通过垂直振动器独立流化，作为探头布朗运动的“热浴”。两个滚珠轴承支撑探头，对探头施加非线性库仑摩擦力。将探头的实验速度分布、自相关函数和功率谱与带摩擦力的线性玻尔兹曼方程的预测值进行比较。在高碰撞频率下，它被映射到具有非线性摩擦的Fokker-Planck方程，而在低碰撞频率下，它是由一系列独立的随机反冲和随后的摩擦引起的弛豫来描述的。在这两个极限下的理论与实验比较表明，两者吻合较好。在非常小的速度下观察到偏差，其中真实轴承不能很好地由库仑摩擦模拟。
2013-04-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian motors: current fluctuations and rectification efficiency
通过这项工作，我们研究了布朗运动的一个经常被忽视的方面：噪声感应电流波动的作用及其对噪声整流效率的影响。在这样做时，我们考虑布朗惯性电机，是由一个公正的单色，时间周期性的力和热噪声驱动。通常情况下，我们发现，渐近，时间和噪声平均的传输速度是小的，拥有相当广泛的速度波动。这意味着整流电源的性能相应较差。然而，对于棘轮电势的定制轮廓和适当的驱动参数，我们可以识别整流效率的急剧增强。这个政权的特点是持久的，单向运动的布朗电动机与几个回头，只有。相应的非对称速度分布则相当狭窄，支持主要倾向于速度的一个符号。
2004-09-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Particle Ice Front Interaction - The Brownian Ratchet Model
我们把增长的冰作为一个自由扩散附近的墙，离散步骤移动的粒子推动的问题。当颗粒扩散离开表面时，表面可以生长，阻止颗粒返回。该模型的基本计算再现了颗粒吞没临界速度$v_c$的既定结果：大颗粒为$v_c\sim 1/r$，小颗粒为$v_c\sim$ Const，$r$为颗粒半径。使用我们的模型，我们通过将推动视为表面的一系列增长步骤来计算粒子的拖动距离，每个步骤都由粒子的扩散实现。最终，当一个罕见的远离表面的长时间扩散事件发生时，粒子被周围生长的冰吞没。通过数值计算从表面的扩散时间的统计数据，从而计算出这种罕见事件的概率，我们计算出冰锋对粒子的总拖曳时间和距离$L$为$L\sim\exp[1/(vr)]$，其中$v$是冻结速度。$L$的这种关系已被我们和其他人的实验所证实。距离$L$提供了在胶体悬浮液（例如通过冷冻铸造的冰透镜和层状结构）中的相变期间斑图形成的长度尺度。从文献中获得的关于冷冻铸造过程中冰透镜体厚度和层间距的数据与我们对距离关系的预测$L$一致。这些结果使我们推测，层状结构的形成是由它们的横向生长，推动和集中的颗粒之间。
2017-12-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Brownian granular flows down heaps
我们研究了一堆微米大小的二氧化硅颗粒在充满水的微流控鼓的雪崩动力学。与经典颗粒材料的预期相反，雪崩不会在有限的休止角处停止。在桩的角度松弛至角度$θ\_c$的第一快速阶段之后，观察到桩缓慢流动直到自由表面达到水平的蠕变状态。这种弛豫在时间上是对数的，并且强烈地依赖于颗粒的重量和热搅动（重力Péclet数）之间的比率。我们提出了一个简单的一维模型的基础上克雷默的逃逸率来描述这些布朗颗粒雪崩，再现的主要意见。
2019-11-15 cond-mat.soft
Omnidirectional Transport in Fully Reconfigurable Two Dimensional Optical Ratchets
提出了一种基于全息光学微操作的完全可重构二维摇摆棘轮系统。我们可以在二维中产生具有任何布拉维晶格几何形状的光学势，并引入具有任意取向的空间不对称性。数值和实验证明了布朗粒子沿不同方向的非平凡定向输运，包括轴上，垂直和倾斜相对于无偏交流驱动。定义电流方向的最重要的方面被证明是不对称性，而不是驱动方向，但我们显示了一个系统，其中每个势阱的不对称方向不符合运输方向，这表明一个额外的对称性破坏的结果与晶格配置的耦合。我们的实验装置，由于其多功能性，开辟了一个新的可能性范围内的非平衡动力学研究在微观水平。
2017-05-11 cond-mat.soft
Creeping Avalanches of Brownian Granular Suspensions
我们研究了一堆微米级的二氧化硅颗粒在小型旋转鼓充满水的雪崩动力学。与经典颗粒材料的预期相反，雪崩不会在有限的休止角处停止。在角度$θ$ \_c以下，我们观察到桩缓慢流动直至变平的蠕变状态。在这种情况下，松弛是对数的时间，是较慢的，当颗粒的重量和热搅拌之间的比率增加。我们提出了一个简单的1D模型的基础上克雷默的逃逸率来描述这种流动。
2017-10-25 cond-mat.soft
Critical scaling and soft granular rheology of frictionless non-Brownian suspensions across jamming
Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Grenoble INP（格勒诺布尔国立理工学院）
通过三维模拟研究无摩擦非布朗可变形颗粒悬浮液跨堵塞转变的流变行为，开展临界标度分析证实剪切驱动堵塞为二阶临界现象，构建流态图谱并提出软颗粒流变标度关系，实现宽范围动力学与密度区间的数据塌缩与预测。
2026-09-04 cond-mat.soft
Axial segregation of granular mixtures in laterally shaken multi-trapezium channels
我们调查的轴向偏析的二元混合物在横向震动的水平通道形成的棘轮状侧壁，出现级联的ziziums时，不偏移轴向。在这样的通道中摇动的谷物混合物被观察到分两个阶段分离：它们首先迅速分离成两个垂直排列的层，然后，这些层沿相反方向轴向移动，分离两个物种。在这里，我们进行了实验，以研究各种参数的影响偏析过程：晶粒的尺寸比，振动频率和通道的几何形状。我们发现，（a）偏析质量取决于振动频率，它是可能的，找到一个独特的最佳频率偏析，（b）的最佳频率降低，随着尺寸比的增加，（c）偏析通常是较差的侧壁时，更倾向于彼此，和（d）偏析改善时，侧壁轴向偏离彼此。然后，我们进行分离过程的离散元模拟，以便将实验观察与Bhateja等人的界面压力梯度机制[Bhateja，A.，I.夏尔马和J. K。Singh 2017.宏观尺度颗粒棘轮的分离物理学，Phys.Rev.Fluids 2，052301]。我们证明，偏析质量相关以及缩放的界面压力梯度，这是层之间的界面压力梯度的比例，在第一阶段的偏析过程中形成的，由锥形侧壁提供的轴向体力。
2022-10-14 cond-mat.soft
Diverging viscosity and soft granular rheology in non-Brownian suspensions
我们使用大规模的计算机模拟和有限尺寸标度分析来研究无摩擦非布朗粒子的稠密三维悬浮液在堵塞过渡附近的剪切流变学。我们进行模拟软排斥粒子在恒定的剪切速率，恒定的压力，和有限的系统尺寸，并仔细研究大系统尺寸和无限硬粒子排斥的渐近极限。将先前的分析扩展了两个数量级，我们首先研究了硬颗粒极限下剪切粘性的渐近行为。我们确认其渐近幂律发散的干扰过渡，但表明，精确确定的临界密度和临界指数是困难的，由于粘度的“多尺度”行为。此外，有限尺寸标度分析表明，这种分歧是伴随着一个不断增长的相关长度尺度，这也分歧代数。然后，我们研究了软排斥的效果，并提出了一个自然延伸的标准颗粒流变学，以考虑柔软度的影响，我们从模拟验证。接近堵塞过渡，这种“软颗粒流变学”提供了一个详细的描述软颗粒的非线性流变学，这不同于早期的经验缩放形式。
2015-04-03 cond-mat.soft
Anomalous large-scale collective motion in granular Brownian vibrators
本文通过布朗振动器实验发现准二维硬颗粒圆盘系统在中等堆积分数下出现反常大尺度集体运动，并揭示其源于主动力与非弹性碰撞诱导的有效吸引相互作用的体积分数调控竞争，与无对齐机制的球形主动粒子群集理论相符。
2023-08-08 cond-mat.soft nlin.AO
Brownian motion of ellipsoidal particles on a granular magnetic bath
本文研究了椭球粒子在磁性粒子组成的颗粒池中的布朗运动。我们用均方位移和均方角位移量化了不同漂浮椭球粒子的流动性，并将扩散系数与浴粒子运动联系起来。在粒子的大半径$R$方面，我们发现平移扩散系数的尺度大致为$1/R^2$和旋转扩散系数的尺度大致为$1/R^4$ ;这是一致的假设，即扩散产生于悬浮粒子下面的浴粒子的随机踢。通过改变磁力，浴颗粒扩散率改变了十倍;在这个范围内，浮动颗粒的平移和旋转扩散改变了五十倍。然而，这两个扩散常数的比例的浮动颗粒是强迫无关的。浮动粒子运动的不寻常方面包括它们的位移的非高斯统计。
2020-05-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Unified Theory of Inertial Granular Flows and Non-Brownian Suspensions
硬颗粒的稠密流的流变特性是奇异的，因为一个接近堵塞的阈值，其中流动停止，无论是由惯性主导的空中颗粒流，和过阻尼悬浮液。同时，表征速度相关性的长度尺度在干扰时出现发散。在这里，我们介绍了一个理论框架，提出了一个试探性的，但可能完整的缩放描述的平稳流。我们的分析，重点是无摩擦颗粒，适用于{ \it两者}的悬浮液和惯性流动的硬颗粒。我们比较我们的预测与经验文献，以及与新的数值数据。总的来说，我们发现一个非常好的协议之间的理论和观测，除了摩擦惯性流的标度特性明显不同于无摩擦系统。对于过阻尼流，需要更多的观测来决定摩擦是否是一个相关的扰动。我们的分析对微观动力学量做出了几个新的预测，这些预测应该可以通过实验获得。
2015-05-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Working under confinement
我们分析了布朗棘轮的性能存在的几何约束。描述分子马达动力学的两态模型被用来表征当马达在限制下进行时的能量成本，在存在外力的情况下。我们表明，存在的几何约束有很强的影响电机的性能。特别是，我们表明，它是可能的，以提高棘轮性能，通过适当调整的参数表征的环境。这些结果打开了工程熵优化的运输设备的可能性。
2014-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Transition from granular to Brownian suspension : an inclined plane experiment
本研究通过斜面实验观测微米级颗粒悬浮体流动，发现流动依赖颗粒尺寸，并建立融合热与无热贡献的模型，预测玻璃态摩擦角，揭示玻璃化转变特征。
2022-09-27 cond-mat.soft physics.class-ph
