Robust Molecular Computation by Active Mechanics
活细胞消耗能量和物质资源来可靠地处理来自环境的信息。为了做到这一点，它利用了不可靠的分子电路，该电路会受到热和其他波动的影响。在这里，我们认为，积极的，物理过程可以提供信息处理的纠错机制。我们分析了一个模型，在该模型中，波动的受体激活诱导收缩应力，招募更多的受体，动态控制资源的使用和准确性。我们表明，这种主动方案可以优于被动，静态集群（如形成，例如，通过蛋白质交联）。我们考虑简单的二进制环境，信息决策树和化学计算;在每种情况下，主动应力用于上下文构建信号平台，动态抑制错误，并允许强大的细胞计算。
2022-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lagrangian Mechanics of Active Systems
我们提出了一个多尺度建模和仿真框架，用于形状变化的浸没物体的低雷诺数流体动力学，例如，生物微泳者和活性表面。其核心思想是将主要形状变化视为广义坐标，并定义共轭广义水动力摩擦力。方便地，相应的广义摩擦系数可以预先计算，随后重新用于快速求解动力学运动方程。该框架将耗散系统的拉格朗日力学推广到主动表面和主动微泳者，其形状动力学由内力驱动。作为一个应用程序的情况下，我们预测在相位和反相位同步对纤毛的实验测量纤毛节拍模式。
2020-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Modeling Multi-Cellular Dynamics Regulated by ECM-Mediated Mechanical Communication via Active Particles with Polarized Effective Attraction
集体细胞迁移对许多生理和病理过程至关重要。最近的实验研究表明，在纤维细胞外基质（ECM）中迁移细胞产生的主动牵引力可以机械重塑ECM，使细胞力的长距离传播，并导致相关的迁移动力学调节的细胞之间的机械通信。受这些实验发现的启发，我们开发了一种具有极化有效吸引力（APPA）的活性粒子模型，用于模拟由ECM介导的机械通信调节的紧急多细胞迁移动力学。与经典的活性布朗粒子相比，具有极化成对吸引力的活性粒子表现出增强的聚集行为，特别是在较低的粒子密度和较大的旋转扩散率下。重要的是，与经典ABP系统相比，APPA系统的高密度相表现出强的动态相关性，其特征在于缓慢衰减的速度关联函数，其相关长度与高密度相域的线性尺寸相当（即，粒子的簇）。由APPA模型预测的强相关多细胞动力学随后在使用MCF-10A细胞的{ \it in vitro}实验中得到验证。我们的研究还表明，将ECM介导的迁移细胞之间的机械耦合的重要性，适当地模拟紧急多细胞动力学在复杂的微环境。
2020-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical inhibition of dissipation in a thermodynamically consistent active solid
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯理论物理中心）
本文提出了一种热力学一致的活性固体模型，揭示了机械响应与耗散之间的非平凡交叉作用，并解释了在大应力下耗散被抑制的现象。
2025-12-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active Vertex Model for Cell-Resolution Description of Epithelial Tissue Mechanics
我们引入了一个活动顶点模型（AVM）的细胞分辨率的研究，由成千上万的细胞组成的汇合上皮组织的力学，与类似的方法无法达到的细节水平。AVM将汇合上皮组织的顶点模型与活性物质动力学相结合。这引入了细胞运动的自然描述，并解释了在多个尺度上观察到的运动模式。此外，从单元中心的位置动态地生成单元接触。这不仅使有效的数值实现，但提供了一个自然的描述T1过渡事件负责局部组织重排。AVM还包括细胞排列、细胞特异性机械性质、细胞生长、分裂和凋亡。此外，AVM引入了一个灵活的，动态变化的上皮片的边界，允许研究的现象，如指状不稳定或伤口愈合。我们用一些案例研究来说明这些能力。
2016-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Intrinsic pressure as a convenient mechanical framework for dry active matter
本文提出将内禀压力作为干性活性物质局部压力的理想候选量，并把自推进力视为环境有效外力，从而建立一个普适且便于分析干性活性系统力学的框架。
2025-07-19 cond-mat.soft
A Twist On Active Membranes: Odd Mechanics, Spontaneous Flows and Shape Instabilities
本文研究活性流体膜的手性应力贡献，发现其引发切向流动和形状不稳定性，由活性 Scriven-Love 数控制，适用于亚细胞到组织水平的生物系统。
2023-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Minimal model of active colloids highlights the role of mechanical interactions in controlling the emergent behavior of active matter
最近，由具有纯排斥相互作用的自推进球形颗粒组成的活性布朗胶体的极小模型被确定为活性物质理论的极好的定量测试基础，并且已经成为广泛的数值和分析研究的主题。这些系统不表现出对齐或植绒状态，但确实具有丰富的相图，形成具有新颖机械性能的活性气体，液体和固体。本文综述了近年来对这类模型的研究进展，包括对活性气体及其游动压力的描述、运动诱导的相分离以及高密度晶体和玻璃态行为的描述。
2016-02-11 cond-mat.soft
The Mechanics of Nucleation and Growth and the Surface Tensions of Active Matter
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文从力学角度探讨了活性物质凝聚与生长的机制，揭示了三种表面张力在活性界面稳定性中的作用。
2025-07-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Effective equilibrium states in the colored-noise model for active matter II. A unified framework for phase equilibria, structure and mechanical properties
由色噪声驱动的活动粒子可以近似映射到服从细致平衡的系统上。对于这样的系统可以导出的有效相互作用允许通过有效自由能来描述活性流体的结构和相行为。在本文中，我们解释了为什么相关的热力学结果的压力和界面张力不代表的结果将测量机械。我们推导出一个动态的密度泛函理论，在稳定状态下，同时验证了有效的相互作用的使用，并提供了访问机械量。我们的计算表明，在色噪声模型中，共存相的机械压力可能是不相等的，界面张力可以变为负值。
2017-11-29 cond-mat.soft
The mechanics of disclination emergence in 3D active nematics
本文通过大规模3D模拟研究了活性半柔性丝模型，发现系统受依赖于活性的有效刚度这一单一参数控制，并建立了涵盖弯曲与扭曲的向错涌现统一力学理论。
2025-06-28 cond-mat.soft
Minimal model of an active solid deviates from equilibrium mechanics
本文用极小模型研究了一维活性固体--由非线性硬弹簧相互作用的活性随机粒子网络--在外力作用下的力学响应。研究发现，由线性弹簧构成的主动固体在外力作用下，呈现出与系统活动无关的平均变形。然而，当主动固体由非线性硬弹簧制成时，固体的平均变形相对于在相同条件下的被动系统减小，并且作为系统中的活动和旋转噪声的函数。后一个结果可能揭示了创造主动超材料的新方法，这种材料可以通过移动其活动或旋转噪声来调整其刚度。
2022-09-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Feedback-controlled mechanics of tissue vertex model: emergent soft elasticity and active yielding
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）
研究通过最小顶点模型揭示细胞尺度过程如何产生组织尺度向列序，并影响组织流变学，发现主动屈服状态与柔软弹性状态的转变机制。
2026-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
The "isothermal" compressibility of active matter
我们表明，机械定义的“等温”压缩性的行为作为一个类似于一个动态响应函数的悬浮液的活性布朗粒子。从主动压力计算的压缩性-碰撞和独特的游泳压力的组合-是能够预测运动诱导相分离的临界点，如预期的机械稳定性标准。我们通过一个积极的形式的热力学压缩性方程的静态结构因子，并找到这两个是等价的，这将是平衡系统的情况下，这个机械的定义。这种等效性表明，压缩性的行为就像一个热力学响应函数，即使当活动是大的。最后，我们讨论了定义一个活跃的化学势时，相界面的重要性。先前定义的活性化学势被证明是准确的临界点以上，但在共存区域的故障。包括游泳压力的机械压缩性的定义表明，界面是必不可少的确定相行为。
2020-09-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Towards a statistical mechanical theory of active fluids
我们提出了一个随机描述的N相互排斥的活动领域在外场的存在下，并描述其稳态行为的模型。为了再现实验观察到的活性粒子的轨迹的持久性的影响，我们认为高斯强迫具有非零的相关时间$τ$，其有限性是一个衡量系统的活动。有了这些成分，我们表明，它是可能的，以开发一个统计力学的方法类似于在平衡液体的研究，并获得明确的形式的多粒子分布函数的多维统一色噪声近似的装置。这样的分布在平衡态统计力学中起着类似于吉布斯分布的作用，并提供了关于系统微观状态的完整信息。从这里，我们开发了一种方法来确定的Born-Green-Yvon（BGY）平衡统计力学方程的精神，一个和两个粒子的分布函数。由此产生的方程，其中包含额外的相关性引起的活动允许确定的静态密度分布在存在的外部字段，对相关性和压力的活性流体。在低密度区，我们得到了有效的对势$ϕ(r)$作用于两个相隔一定距离的孤立粒子之间，$r$，表明它们之间存在一个有效的吸引力引起的活动。在此基础上，本文提出了一种比BGY体系更简单的平均场论方法，并利用它导出了状态方程的范德华表达式，这可以作为理解活性流体相行为的基础。
2015-11-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active Disassembly and Reassembly of Actin Networks Induces Distinct Biphasic Mechanics
肌动蛋白是细胞骨架的关键组成部分，在细胞运动、分裂、生长和抗张强度中起着核心作用。为了实现这种广泛的瞬时机械过程和特性，肌动蛋白丝的网络通过主动解聚/再聚合不断地分解和重新组装。然而，问题仍然是如何去/重新聚合动力学的个别肌动蛋白丝转化为随时间变化的力学的dis-reassembled网络。为了解决这个问题，最终阐明的分子机制，使细胞表现出无数的短暂的机械性能，我们耦合时间分辨的活性微流变学与微流体测量的时变粘弹性模量的缠结和交联肌动蛋白网络在化学触发的网络拆卸和重新组装。我们还开发了一个相应的数学模型，涉及的时间演变的细丝长度的演变网络的时间依赖性存储模量。在拆卸过程中，我们发现，模量表现出两个不同的指数衰减，实验时间常数为$\sim$ 169和$\sim$ 47分钟，我们显示产生从一个从一个刚性的网络到一个非刚性的制度发生后，$\sim$ 90分钟的相变。在重组过程中，测得的模量表现出随时间的线性增加$\sim$ 90分钟，之后达到稳态值。我们的理论模型表明，重组力学主要由伸长动力学，并且伸长速率比最近假设的要慢得多。我们的测量揭示了聚合动力学如何映射到积极发展的细胞骨架网络的时变机制，并为研究目前正在深入研究的其他活性和动态系统提供了一个强大的平台。
2017-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Statistical Mechanics and Hydrodynamics of Self-Propelled Hard Spheres
本文从自推进硬球的微观模型出发，利用非平衡统计力学和硬球动力学理论，导出了相互作用的主动布朗粒子的Smoluchowski方程。我们说明了实用的统计力学框架开发的两个应用程序。首先，我们推导出稳态的硬球活性流体的微观参数和第二，我们确定的临界密度在这个系统中的运动诱导相分离的发病。我们表明，这两个数量同意与过阻尼模拟的活性布朗粒子与排除体积相互作用的急剧排斥的潜力。这里提出的结果可以用来将排除体积效应在不同的自推进粒子模型。
2017-02-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Statistical mechanics of a chiral active fluid
本文以活性旋转体流体为例，展示了远离平衡态时热力学的涌现，发现单一有效温度可同时参数化状态方程与玻尔兹曼统计，并经速度关联重整化后通过 Green-Kubo 关系控制剪切粘度与奇粘度的线性响应，为非平衡热力学提供了第一性原理推导。
2020-02-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Statistical mechanics of an active wheel rolling in circles
研究对称小轮在振动板上自发产生手性主动动力学的现象，揭示其非平衡统计特性及相变，为手性主动系统提供模型实验基础。
2024-12-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Trajectory Statistics Govern Mechanical Power Transfer in Active Baths
Saarland University（萨尔兰大学）
本研究揭示活性浴中探针的机械功率传递由浴粒子轨迹统计决定，提出轨迹-响应关系，并证明不同活性粒子模型的正功率传递条件，为预测探针响应提供新途径。
2026-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Chirality and odd mechanics in active columnar phases
本文证明三维中具有二维奇数弹性的最高对称性介观相是手性、极性柱状相，推导了其流体动力学方程，并预测了零波数处频率不消失的柱振荡及由手性力矩偶极活性应力选择的螺旋屈曲不稳定性。
2024-04-30 cond-mat.soft
Scale dependence of mechanics and dynamics of active gels with increasing motor concentration
细胞骨架蛋白肌动蛋白组装成大束时，支持在细胞中的压力，但成长为一个精细的分支网络，以诱导细胞运动。这样的自组织过程中研究的人工网络的细胞骨架蛋白与厚肌动蛋白束和大马达蛋白聚集体，使光学观察。在这里研究了由小得多的电机组件组成的网络中的电机聚集体的大小对细胞骨架力学性能的影响。已知大的马达蛋白簇通过引入张力和额外的交联位点来增加基于肌动蛋白的网络的刚度。我们发现，这些影响是普遍的肌动蛋白凝胶，无论肌动蛋白束的厚度和电机聚集体的大小和相关的，因此，以广泛的细胞骨架为基础的细胞过程。相比之下，电机引起的主动波动显着依赖于电机组件的大小，具有独特的非高斯统计在高浓度的小组件。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Surface Tension Between Coexisting Phases of Active Brownian Particles
针对活性布朗粒子相分离中表面张力公式的矛盾，本文基于系统内禀压力推导出新的力学表达式，得出显著为正且随活性增加的表面张力，有望解决相关争议。
2025-03-05 cond-mat.soft
Mechanics of heterogeneous fiber networks
Stanford University（斯坦福大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；The James Franck Institute, University of Chicago（芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所）
研究利用主动流体组装并重构纤维网络，通过微米流变学和荧光成像揭示其mesoscale力学特性，发现主动应力调控网络结构和粘弹性响应。
2026-05-11 cond-mat.soft
Mechanics and Variability of Cell Sheet Folding in the Embryonic Inversion of $Volvox$
胚胎发育过程中的许多变形是局部细胞形状变化和其他局部活性细胞片变形的整体结果。因此，形态发生不仅依赖于组织产生这些主动变形的能力，而且依赖于以克服组织的固有可变性和几何约束的方式调节它们的能力。在这里，我们探讨了绿色胚胎$Volvox$的调节和变异的相互作用，其球形胚胎将自己从内到外，使运动。通过光片显微镜和理论分析的结合，我们量化了这种反转的可变性，并详细分析了其力学，以显示形状的可变性是如何从几何，力学和主动调节的组合中产生的。
2017-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Active mechanics reveal molecular-scale force kinetics in living oocytes
细胞内组分的主动扩散正在成为细胞生物学中的重要过程。这个过程是由分子马达和细胞骨架丝的复杂组装介导的，这些分子马达和细胞骨架丝驱动细胞质中的力产生并促进增强的运动。分子马达的动力学已经通过单分子方法在体外精确地表征，然而，它们的体内行为仍然难以捉摸。在这里，我们研究了小鼠卵母细胞中囊泡的主动扩散，在此过程中发挥了关键作用，在发展过程中的核定位，并结合实验和理论框架，以提取分子尺度的力动力学（力，功率冲程，和速度）的体内活性过程。假设一个单一的主导过程，我们发现，非平衡活性诱导持续时间$τ\sim$ 300 $μ$ s的快速踢，导致体内卵母细胞中囊泡上的平均力为$F \sim$ 0.4 pN，我们的研究结果表明，测量体内活性波动允许提取与单细胞活性一致的分子尺度活性。分子的研究和演示介观框架访问力动力学。
2018-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Mechanics of non-planar membranes with force-dipole activity
研究了活性膜蛋白如何改变流体膜的长波长力学。蛋白质的活性被建模为通过非局部力分布干扰蛋白质周围环境，其中力偶极分布是最简单的例子。的解析表达式，描述了如何修改的活动的膜表面的力平衡方程得到的形式的力矩扩展的力分布。该表达允许进一步研究非平面膜的活性的后果。特别是对机械性能的积极贡献，如张力和弯矩变得明显。它还解释了如何活动可以诱导膜中的活性蛋白质之间的流体动力学吸引力。
2006-08-11 cond-mat.soft
Active doping controls the mode of failure in dense colloidal gels
本文通过模拟表明，在深度退火多分散胶体凝胶中嵌入主动粒子，其游泳力可在临界值处引发脆性—延性失效模式转变，并改变孔隙、吸引力分布与动力学非均匀性。
2024-11-25 cond-mat.soft
The mechanics of anisotropic active plates with applications to cell alignment on curved substrates
Politecnico di Torino（都灵理工大学）；Sapienza University of Rome（罗马大学）
基于Föppl-von Kármán极限，发展活性各向异性板的连续介质力学框架，通过渐近展开推导耦合平衡方程，应用于弯曲基底诱导的细胞排列，预测从垂直到平行的超临界分岔，并解释不同细胞类型的实验现象。
2026-06-24 cond-mat.soft math-ph math.MP
