Cilia-driven transport in confined ducts: an active porous media model
University of Southern California（南加州大学）；Nankai University（南开大学）
本文研究了受限管道中纤毛驱动的流体输运，提出了一种主动多孔介质模型，确定了两个关键形态参数：纤毛限制比和平均纤毛分数，并通过数值方法和解析模型分析了流体输运受限制和纤毛材料排列的影响，揭示了流量与压力生成之间的线性递减关系，为设计生物启发的微流体泵提供了指导原则。
2026-05-20 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Surfing on metachronal waves: ciliary transport by inertial coasting
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The Zeeman Institute for Systems Biology and Infectious Disease Epidemiology Research（泽曼系统生物学与传染病流行病学研究所）；University of Warsaw（华沙大学）；University of Warwick（华威大学）
本研究通过惯性滑行机制，揭示了纤毛在代谢波上驱动高效粒子运输的物理机制。
2026-03-11 physics.bio-ph 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
Self-Organization of Self-Clearing Beating Patterns in an Array of Locally Interacting Ciliated Cells Formulated as an Adaptive Boolean Network
在多纤毛上皮细胞上观察到的时空纤毛搏动模式被怀疑是各种水平上的自组织过程的结果。在这里，我们提出了一个抽象的上皮细胞模型在多细胞水平上，这是为了使自组织的纤毛跳动模式，以及相关的流体运输通过气道上皮似是而非。纤毛细胞建模的局部相互作用振荡的两状态致动器。这些布尔执行器之间的局部相互作用是由接种的粘液块触发的。在模拟的过程中，致动器的状态和相关的粘液速度场自组织串联。我们建议在自适应（布尔）网络的背景下考虑多纤毛上皮细胞的动力学。在自适应布尔网络的框架内，纤毛细胞代表节点，由于粘液建立了节点之间的局部相互作用，因此其分布决定了网络的拓扑结构。此外，我们提出了全面的参数研究的结果和见解。结果表明，所谓的确定性更新方案，这是为了代表细胞间的信号，导致更现实和强大的动态，因此可能是自然的青睐。最后，我们假设，纤毛上皮细胞引入模块化网络拓扑结构，导致自组织同时发生在每个“纤毛模块”。这种推理为所观察到的粘液调制波场的斑片状表达模式的意义提供了第一个一致的解释。因此，模块化可以被看作是一个模块化的建设计划的性质纤毛上皮细胞的数量范围超过几个数量级。
2018-04-06 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Cytoskeleton polarity is essential in determining orientational order in basal bodies of multi-ciliated cells
气管中纤毛的同步和定向跳动允许病毒和灰尘从体内运输和排出。这种纤毛功能依赖于顶端细胞膜中的基底体（纤毛根）的协调构型。然而，其形成机制仍然未知。在这项研究中，我们表明，在顶端微管束的极性起着重要的作用，在组织的基体。结合极性的数学模型已经制定了一个连贯的解释，并能够重现实验观察。我们阐明了细胞骨架极性的必要性（“为什么极性是图案形成所必需的”）和充分性（“极性如何对图案形成起作用”），并通过实验数据进行了验证。这个模型进一步引导我们到一个可能的机制，细胞手性。
2020-01-12 physics.bio-ph q-bio.CB
Microfluidic propulsion by the metachronal beating of magnetic artificial cilia: a numerical analysis
在这项工作中，我们研究了异时波的影响所产生的流动磁驱动板状人工纤毛在微通道中使用数值模拟。使用耦合的磁-机械固体-流体计算模型进行模拟，该模型捕获流体流动、纤毛变形和施加的磁场之间的物理相互作用。当旋转磁场施加到超顺磁性人造纤毛时，它们模仿天然纤毛的不对称运动，由有效和恢复冲程组成。当相邻纤毛之间存在相位差时，异时波就会产生。由于纤毛的离散性质，异时波在相位差变得足够大时改变方向，导致反辛和辛异时。我们发现，人工纤毛产生的流体流动显着增强异时波的存在下，流体流动成为单向的。当纤毛间距很小时，与辛异时性相比，反异时性被观察到导致流动的相当大的增强。阻碍流动的方向上的有效中风的情况下，辛异时性被认为是控制这种效果的关键机制。
2011-09-12 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Specialized pro-resolving mediator Resolvin E1 corrects the altered cystic fibrosis nasal epithelium cilia beating dynamics
本研究分析CF鼻上皮原代培养的纤毛摆动异常，发现RvE1与LXB4可恢复正常表型，其中RvE1经TMEM16A改善ASL水合和MUC5AC黏液特征。
2023-12-11 physics.bio-ph q-bio.TO
Hydrodynamic flow patterns and synchronization of beating cilia
本文计算了在远离附着于物体表面的周期性摆动纤毛的情况下产生的流体动力学流场。在两个跳动的纤毛的情况下，流体动力学相互作用可以导致纤毛的同步，纤毛是非线性振荡器。我们提出了一个状态图，同步状态发生的纤毛的距离和相对方向的节拍的函数。同步状态以不同的相对相位出现。此外，还存在异步解决方案。我们的工作可能是相关的同步运动的纤毛产生的细胞表面上的流体动力学流动。
2006-05-23 physics.bio-ph q-bio.CB
Corkscrew motion of Trypanosoma brucei is driven by helical beating of the flagellum and facilitated by its bent shape
University of Massachusetts, Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；Smith College（史密斯学院）
锥虫布鲁塞i型的趋螺旋运动由鞭毛的螺旋摆动驱动，并通过其弯曲形状增强游泳能力。
2026-08-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal Undulatory Swimming with Constrained Deformation and Actuation Intervals
Graduate School of Engineering Science, The University of Osaka（大阪大学工学研究科）；Faculty of Physics, University of Vienna（维也纳大学物理学院）
本文运用强化学习研究局部受限力矩驱动的离散弹性纤维微型游动体，揭示了主动力矩与内在弯曲刚度竞争产生的最优拍打模式，其依赖于动作区间，为生物与人工微型游动体提供了驱动策略。
2025-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of spatial heterogeneity on the collective dynamics of cilia beating in a minimal 1D model
纤毛是细胞膜上的弹性毛发状突起，存在于各种单细胞生物和大多数生物体的几种组织中。在某些组织中，如肺的气道组织，纤毛的协调跳动诱导至关重要的流体流动，因为它允许我们的支气管的连续清洁，称为粘膜纤毛清除。虽然大多数解决集体动力学和异时性波问题的模型考虑纤毛的均匀地毯，但实验观察表明纤毛簇不均匀地分布在组织表面。本文的目的是调查的作用，空间异质性的纤毛相干跳动使用一个非常简单的一维模型纤毛称为rower模型。我们系统地研究了由几个赛艇运动员到数百名赛艇运动员组成的系统，并研究了集体殴打出现的条件。当考虑少量划手时，会发生相位漂移，因此随着划手集群之间的距离的改变，观察到拍频的分叉。在许多划手的情况下，观察到的频率分布。我们特别发现了在集体跳动行为中表现出最佳鲁棒性的片状结构的图案，因为纤毛的密度在很宽的范围内变化。
2017-12-20 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Flagellar Kinematics and Swimming of Algal Cells in Viscoelastic Fluids
微生物的运动性受到它们与它们所居住的流体环境的流体动力学相互作用的极大影响。我们表明，通过直接的实验观察的双鞭毛的莱茵衣原体，流体的弹性和粘度强烈影响的跳动模式-步态-从而控制推进速度。流体的弹性使周期性弯曲的拍频和波速都得到了提高。尽管有这些改进，但对于足够弹性的流体，水母的净游泳速度受到阻碍。这种复杂的反应的起源在于弹性引起的变化之间的相互作用在鞭毛周期的空间和时间方面的建立和随后的松弛的弹性应力在功率和恢复中风。
2015-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Asymmetric motion of magnetically actuated artificial cilia
大多数微生物使用具有不对称跳动的毛发状纤毛来执行重要的生物物理过程。在本文中，我们展示了一种新的制造方法，用于创建磁性人工纤毛，能够在低雷诺数下创建微流体传输所必需的这种生物启发的不对称跳动模式。纤毛的制造使用平版印刷工艺结合磁性镍铁坡莫合金的沉积，以产生可通过改变外部磁场来操纵的柔性细丝。旋转的永磁体用于驱动纤毛。我们研究纤毛的运动学，并证明纤毛运动是由弹性，磁性和粘性力之间的相互作用。具体地，向前冲程由弯曲纤毛的磁体的旋转引起，而恢复冲程由变形的纤毛的拉直限定，释放累积的弹性势能量。在向前划水和恢复划水期间作用的主导力的这种差异导致纤毛的不对称跳动模式。这种磁性纤毛可以在微流体泵送、混合和其他流体处理过程中找到应用。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Encoding spatiotemporal asymmetry in artificial cilia with a ctenophore-inspired soft-robotic platform
受栉水母启发，利用磁活性硅弹性体构建软体机器人平台，通过被动编码空间不对称拍动模式，发现不对称拍动在相同频率和相位差下能显著提升流体泵送性能，为仿生泵送装置设计提供参考。
2024-07-18 physics.bio-ph
Nonlinear Dynamics of Cilia and Flagella
纤毛和鞭毛是真核细胞的毛发状延伸，它们产生振荡的节拍模式，可以推动微生物并在细胞表面附近产生流体流动。纤毛和鞭毛的进化高度保守的核心由一个圆柱形排列的九个微管对组成，称为轴丝。轴丝是一种主动弯曲的结构，其运动性是动力蛋白马达蛋白交联微管偶联并产生诱导弯曲变形的应力的作用的结果。周期性的搏动模式是机械反馈的结果，机械反馈导致沿着轴丝的自组织弯曲波。使用一个理论框架来描述平面跳动运动，我们推导出一个非线性波方程，它描述了轴丝跳动的基本傅立叶模式。我们研究的非线性的作用，并探讨如何振荡的振幅增加附近的振荡不稳定性。此外，我们提出了不同边界条件下的非线性波方程的数值解。我们发现，非线性波很好地近似的线性不稳定模式的振幅拍模式类似于实验观察到的。
2009-06-02 physics.bio-ph q-bio.CB
Dynamic Force Measurements on Swimming Chlamydomonas Cells using Micropipette Force Sensors
鞭毛和纤毛是细胞的附属物，继承了微生物生命的基本功能，包括感知和导航环境。为了推动游动的微生物，它们通过周期性运动取代周围的流体，而精确定时的跳动模式调制使细胞能够朝向或远离特定位置。然而，表征动态力是具有挑战性的，通常依赖于间接的实验方法。在这里，我们提出了在受控环境中的运动的莱茵衣藻细胞的动态力的直接体内测量。该实验是基于部分抽吸的微量移液器力传感器的尖端处的活微生物，并以高的时间和亚像素空间分辨率光学记录微量移液器的位置波动。我们提供了一个分析的弹性流体动力学模型的微针力传感器，并描述了如何获得微针的全频率响应函数的动态力校准。使用这种方法，我们发现动态的力量在自由游泳活动的个人莱茵衣藻细胞的23 $\pm$ 5 pN产生的协调鞭毛跳动的频率为51 $\pm$ 6 Hz。除了在散装液体环境中的测量，我们研究了在固/液界面附近的双鞭毛微型游泳者的动态力。随着我们逐渐减少游泳的微生物到界面的距离，我们测量到在大于跳动鞭毛的最大范围的距离处显著增强的力传递，突出了流体动力学相互作用对于有鞭毛的微生物遇到表面的情况的重要性。
2019-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
