Multiflagellarity leads to the size-independent swimming speed of peritrichous bacteria
本研究通过实验、建模与模拟证明大肠杆菌的游泳速度与体长无关，该现象源于体长与鞭毛数量的线性关系及多鞭毛集体负载分担机制，解决了长期争议。
2023-10-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transition to bound states for bacteria swimming near surfaces
众所周知，有鞭毛的细菌在水面附近绕圈游动。然而，最近的实验表明，一种名为Thiovulum majus的硫化物氧化细菌可以从圆形游泳转变为表面束缚状态，在这种状态下，它停止游泳，同时保持自由地沿着表面横向移动。在这种束缚状态下，细胞旋转垂直于表面，其鞭毛指向远离it. Using数值模拟和理论分析，我们证明了存在的流体-结构相互作用的不稳定性，导致细胞相对较短的鞭毛成为表面绑定。
2019-10-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Sedimentation and diffusion of passive particles in suspensions of swimming Escherichia coli
由于游泳微生物在自然和人工环境中的普遍存在，活性流体中的沉积已经成为焦点。在这里，我们实验研究了被动颗粒在含有不同浓度的细菌E。杆菌结果表明，活细菌的存在下，即使在稀的制度，预计沉降速度是独立的颗粒浓度的沉降前的速度降低。细菌增加了被动颗粒的有效扩散系数，决定了沉降前沿的宽度。对于较高的细菌浓度，我们发现两个沉降前沿的发展，由于细菌死亡。一个模型，其中的对流扩散方程描述的重力下的颗粒沉降耦合到细菌的种群动力学似乎捕捉实验的趋势相对较好。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamics of swimming bacteria at complex interfaces
已知利用螺旋推进的鞭毛细菌沿着表面附近的圆形轨迹游泳。流体动力学预测这种圆周运动在刚性表面上方为顺时针（CW）（当从流体内部观察时），在自由表面下方为逆时针（CCW）。最近的实验研究表明，在附近的表面复杂的物理化学过程可能会导致旋转方向的变化，无论是在固体表面吸收防滑诱导聚合物和界面覆盖表面活性剂。受这些结果的启发，我们使用远场流体动力学模型来预测三种类型的接口附近的游泳运动学：干净的流体-流体界面，滑动刚性壁，和不可压缩的表面活性剂覆盖的流体界面。代表螺旋游泳者的流体动力学奇点的叠加，我们首先表明，在所有情况下，表面重新定向的游泳者平行于表面，并吸引它，这两者都是一个后果的斯托克斯偶极子组件的游泳者流场。然后，我们表明，圆周运动引起的高阶奇异性，即rotlet偶极子，其旋转方向（CW与CCW）的界面和细菌形状的边界条件的强烈影响。因此，我们的研究结果表明，复杂界面的流体动力学提供了一种选择性地搅拌细菌的机制。
2014-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming bacteria in Poiseuille flow: the quest for active Bretherton-Jeffery trajectories
利用三维拉格朗日跟踪技术，我们实验确定了非翻滚E。大肠杆菌突变体在Poietville流中游动。我们确定了一个类型学的轨迹与运动学的“积极Bretherton-Jeffery”模型，具有轴对称的自推进椭球体。特别是，我们恢复的“摆动”和“剪切翻滚”的运动学理论预测Zöttl等人。此外，使用这个模型，我们推导出分析新的功能，如准平面分段轨迹，与高纵横比的细菌，以及存在的漂移角周围的细菌执行封闭的循环轨迹。然而，由于布朗旋转噪声的存在，模型预测和实验结果之间的协议仍然是本地的时间。
2019-05-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Quasi-two-dimensional bacterial swimming around pillars: enhanced trapping efficiency and curvature dependence
微泳者在准二维中比在三维中表现出更多样化的行为。由于处理两个平行固体边界的分析困难，这种行为仍然难以捉摸。准二维系统中附加障碍的存在使分析进一步复杂化。结合实验和流体动力学模拟，我们研究了空间维度如何影响微型游泳者和障碍物之间的相互作用。我们通过蚀刻盖玻片制作了准二维的微观柱，并观察到细菌在柱之间游动。细菌被捕获在圆形柱周围，并且捕获效率随着准二维度的增加或随着柱的曲率的减小而增加。最简单的情况下，一个封闭的蠕动的数值模拟显示异常增加的流体动力学吸引力，建立增强的相互作用是准二维微流体力学的一个普遍属性。我们还证明了局部曲率的障碍控制的捕获效率通过实验与椭圆柱。
2022-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The colloidal nature of complex fluids leads to enhanced motility of flagellated bacteria
人类微生物组和海洋及土壤生态系统中微生物的自然栖息地充满了胶体和大分子，这些胶体和大分子赋予了非牛顿流动特性，极大地影响了游泳微生物的运动。虽然低雷诺数流体动力学的鞭毛细菌在简单的牛顿流体中的游泳已经得到很好的发展，我们的理解复杂的非牛顿流体中的细菌运动仍然是原始的。即使经过六十年的研究，关于聚合物溶液中细菌运动增强的性质和起源的基本问题仍在争论中。在这里，我们研究了不同大小和体积分数的胶体悬浮液中的鞭毛细菌的运动性。我们发现，稀释的胶体悬浮液中的细菌定量显示相同的运动行为，在稀释的聚合物溶液中，其中一个普遍的颗粒大小依赖的运动增强高达80%的发现，伴随着强烈的抑制细菌摆动。凭借良好控制的大小和胶体的硬球性质，这一发现不仅解决了复杂流体中细菌运动增强的长期争议，而且挑战了所有现有的理论，使用聚合物动力学来解决稀聚合物溶液中鞭毛细菌的游泳。我们进一步开发了一个简单的物理模型，将胶体性质的复杂流体，定量解释细菌摆动动力学和流动性增强胶体和聚合物流体。我们的研究揭示了复杂流体中细菌令人困惑的运动行为，这些行为与广泛的微生物过程有关，并为复杂环境中工程细菌游泳提供了基石。
2022-03-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Enhanced diffusion of tracer particles in dilute bacterial suspensions
游动的细菌产生长距离的速度场，搅拌大量的流体，并围绕分散在流体中的被动颗粒移动。最近的实验和模拟表明，长时间的均方位移的被动粒子在浴中的游泳细菌表现出扩散行为的有效扩散系数显着大于其热对应。这种有效扩散系数的全面理论预测和增强机制的理解仍然是一个挑战。在这里，我们采用Lin等人的动力学理论，J.Fluid Mech.669，167（2011）针对细菌情况的“蠕动者”开发，以定量地预测示踪剂颗粒在游动细菌的稀释的二维和三维悬浮液中的增强的扩散率。我们证明，有效扩散系数是一个产品的细菌数密度，他们的游泳速度，一个几何因素表征的速度场由一个单一的细菌，和一个数值因子。我们表明，数值因子是，事实上，一个相当强大的功能的系统参数，最显着的运行长度的细菌，这些依赖关系必须考虑到定量预测增强扩散。我们进行分子动力学类型的模拟，以确认动力学理论的结论。我们的结果是在最近的二维和三维实验中测得的增强扩散系数的值在一个很好的协议。
2013-08-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The wobbling-to-swimming transition of rotated helices
越来越多的工作旨在设计和测试微米级的合成游泳者。一种方法是受鞭毛细菌运动的启发，将旋转磁场施加到一个固定在磁头上的刚性螺旋桨上。当所得到的装置，称为人造细菌鞭毛，垂直于所施加的磁场排列时，螺旋旋转，游泳者向前移动。人工细菌鞭毛的实验研究表明，在低频的外加场，螺旋的轴不对齐垂直的字段，但围绕螺旋摆动，随着磁场频率的倒数的角度增加。通过数值计算和渐近分析，我们给出了这种摆动行为的理论解释。我们数值模拟了摆动到游泳的过渡作为一个功能的螺旋几何形状和无量纲梅森数量化的粘性转矩的比例。然后，我们采用了近直螺旋的渐近展开，以获得一个分析估计的摆动角，使我们的计算和过去的实验结果合理化。研究结果对人工螺旋泳具的设计具有一定的指导意义。
2014-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Mixing in chaotic flows with swimming bacteria
这是一个手稿接受出版物理评论流体，画廊流体运动特刊。该手稿与第39届年度流体运动画廊奖的海报获奖者有关，该奖项是在美国物理学会流体动力学分部第74届年会（美国亚利桑那州凤凰城，2021年）上颁发的。
2022-08-25 physics.flu-dyn
Enhancement of bacterial rheotaxis in non-Newtonian fluids
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
本文通过实验、数值模拟与理论建模研究非牛顿剪切稀化流体中近壁大肠杆菌的趋流性，发现其逆流游动较牛顿流体增强一个数量级，并揭示扭矩对齐机制。
2024-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Fluid Flows Created by Swimming Bacteria Drive Self-Organization in Confined Suspensions
已知游动微生物和其他形式的活性物质的浓缩悬浮液在比单个能动单元大的尺度上显示复杂的、自组织的时空模式。尽管进行了深入的实验和理论研究，但仍不清楚游泳细胞产生的流体动力学流动（而不是它们之间的纯粹空间相互作用）在多大程度上驱动了自组织。本文利用最近发现的\textit{B. subtilis}受限悬浮液中的螺旋涡态来详细研究这一问题。这些实验表明，如果薄圆柱形腔室中的约束半径低于临界值，则悬浮液将自发地形成由反向旋转的细胞边界层包围的稳定的单涡旋状态，其中涡旋内具有螺旋细胞取向。然而，螺旋漩涡中鞭毛的方向以及细胞的游动方向还不清楚。在这里，使用一个快速的模拟方法，捕捉定向细胞和细胞流体相互作用的离散颗粒系统的极小模型，我们预测的惊人的，违反直觉的结果，在集体产生的流体运动的存在下，螺旋涡流内的细胞实际上游泳上游对这些流量。这是证实了新的实验报告在这里，其中包括测量鞭毛束的方向和细胞跟踪的自组织状态。这些结果突出了微生物浓缩悬浮液中细胞取向和流体动力学流动之间的复杂相互作用。
2014-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming Efficiently by Wrapping
本研究探讨了单鞭毛细菌在圆管内伸展与包裹两种游动模式的水动力学，发现包裹模式在强受限条件下因平移-旋转耦合增强和阿基米德螺旋构型而比伸展模式更高效。
2024-07-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The N-flagella problem: Elastohydrodynamic motility transition of multi-flagellated bacteria
有鞭毛的细菌如大肠杆菌通过形成螺旋状的鞭毛束在粘性液体中游动。细丝在空间上分布在细胞体周围，它们通过柔性钩连接到细胞体。要了解如何游泳的细胞的方向是确定的，我们从理论上研究的弹性流体动力学运动的多鞭毛细菌的问题。具体地说，我们考虑一个球形细胞体与数目N的鞭毛最初是对称地安排在一个平面，以提供一个平衡态。我们解析地解决线性稳定性问题，并发现，最多6个模式可以是不稳定的，这些对应的自由度的刚体运动的细胞体。虽然存在一个旋转为主的模式，产生可以忽略不计的运动，我们表明，对于细菌的典型形态参数的最不稳定的模式导致在一个方向上的线性游泳伴随着围绕同一轴的旋转，实验观察到。
2019-04-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Directed collective motion of bacteria under channel confinement
已知游动细菌的稠密悬浮液表现出由空间和流体动力学相互作用的相互作用引起的集体行为。无限制的悬浮液呈现出瞬时的、循环的旋涡和射流，而那些被限制在圆形区域内的悬浮液则呈现出螺旋旋涡的形式。在这里，我们表明，限制到一个长而窄的宏观“赛道”的几何形状稳定细菌运动，形成一个稳定的单向循环。这种运动在离散游泳者的模拟中再现，揭示了细菌驱动的流体流动在动力学中发挥的关键作用。特别是，靠近通道壁的细胞产生强烈的气流，使大量细胞逆着它们的游泳方向平流运动。我们详细研究了从无序状态到持续定向运动的过渡作为通道宽度的函数，并表明在交叉点处的宽度与无界系统中看到的漩涡的典型相关长度相当。我们的研究结果揭示了驱动细菌和其他活性物质系统集体行为的机制，并强调了自然栖息地中无处不在的边界的重要性。
2016-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic attraction of swimming microorganisms by surfaces
在封闭环境中游动的细胞被表面吸引。我们测量两个玻璃板之间的平稳游泳细菌（大肠杆菌）的稳态分布。与早期的研究一致，我们发现边界处的细胞浓度大幅增加。我们从理论上证明，游泳细胞与固体表面的流体动力学相互作用导致它们在平行于表面的方向上重新取向，以及它们被最近的壁吸引。一个模型推导出的稳态分布的游泳细胞，这与我们的测量相比，毫不逊色。我们利用我们的数据来估计鞭毛推进力在游泳E。杆菌
2008-06-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Multiflagellarity facilitates bacterial upstream motility
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；National Institute for Mathematical Sciences（韩国数学科学国立研究所）；Chung-Ang University（中央大学）；University of Cincinnati（辛辛那提大学）
本研究通过实验与模拟揭示，多鞭毛性通过稳定近壁停留和剪切驱动的风向标效应促进细菌逆流运动，而非依赖游泳速度。
2026-09-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A shear-induced limit on bacterial surface adhesion in fluid flow
本文通过混合渐近-计算方法推导表面附近细菌扩散率，揭示中等流速下粘附速率最大，高流速时剪切诱导的细胞重新取向会抑制粘附。
2025-06-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Using Experimentally Calibrated Regularized Stokeslets to Assess Bacterial Flagellar Motility Near a Surface
附近边界的存在可能是重要的生活周期和运动鞭毛虫细菌的进化。这使得许多作者采用数值模拟来模拟近表面细菌运动和计算流体动力学边界效应。一个常见的选择是正则化Stokeslets（MIRS）的图像方法;然而，该方法需要离散化大小和正则化参数，这些参数没有被任何理论指定。为了在MIRS中为给定的离散化选择确定适当的正则化参数，我们进行了动态相似的宏观实验，并将模拟与数据拟合。在实验中，我们测量了不同波长的圆柱和螺旋上的扭矩，因为它们在粘性流体中旋转到边界的不同距离。我们发现，实验和优化模拟之间的差异小于5%时，使用表面离散的圆柱和螺旋线的中心线离散。在确定了最佳正则化参数后，我们使用MIRS模拟了一个理想化的自由游泳细菌，该细菌由圆柱形细胞体和螺旋形鞭毛组成，在边界附近移动。我们通过计算游泳速度，电机转速，Purcell推进效率，单位距离的能量成本和一个新的代谢能量成本来评估许多细菌形态的游泳性能。所有五个措施预测相同的最佳鞭毛波长独立的身体大小和表面接近。虽然这些措施在最佳体型上存在分歧，但他们都预测体型是细菌运动的能量成本的重要因素。
2021-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Fluid dynamics and noise in bacterial cell-cell and cell-surface scattering
从基因表达到运动和生物膜形成的细菌过程不断受到内部和外部噪音的挑战。虽然随机波动的重要性已被赞赏的趋化性，目前认为，确定性的长程流体动力学效应支配细胞和细胞表面散射-的基本事件，导致群集和集体游泳的主动悬浮液和生物膜的形成。在这里，我们报告的第一个直接测量的细菌流场产生的个别游泳大肠杆菌远离和接近固体表面。这些实验使我们能够研究细菌的流体动力学和旋转扩散的相对重要性。对于细胞-细胞的相互作用，它表明，热和内在的随机性淹没了远程流体动力学的影响，这意味着细菌之间的物理相互作用是由空间碰撞和近场润滑力。这种短程力的优势将细菌悬浮液中的集体运动与驱动颗粒系统、生物丝组合和动物群中的自组织紧密联系在一起。对于细菌与表面的散射，长程流体动力学相互作用也被证明是可以忽略不计的碰撞之前，然而，一旦细菌沿着表面游泳在几微米内对齐碰撞后，流体动力学效应可以有助于实验观察到的，长的停留时间。由于这些结果纯粹基于机械性能，因此适用于广泛的微生物。
2011-07-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling of uniflagellated bacterial locomotion in unbounded fluid and near a no-slip plane surface
本文数值研究了单鞭毛细菌在无界流体和平面表面附近的运动，通过弹性流体动力学模型发现拉模式被表面吸引，推模式的行为取决于鞭毛刚度、离子浓度和细胞体长宽比，为理解细菌行为和设计仿生微型机器人提供了依据。
2023-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A swimming bacterium in a two-fluid model of a polymer solution
本文采用细长体理论建立聚合物溶液的双流体模型，揭示多孔微结构如何增强鞭毛束阻力各向异性并提高细菌游泳速度。
2024-04-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Tuning the random walk of active colloids
像游动的细菌或自推进的胶体这样的活性粒子，可以自发地组织成迷人的大尺度动态结构。这些集体状态从单个粒子的运动模式（通常是随机行走）中出现，还有待于在一个定义明确的合成系统中进行探索。在这里，我们报告间歇性胶体运动的实验实现，再现了许多游泳和群集细菌常见的运行和翻滚和利维轨迹。我们的策略使定制的序列重复的“运行”（近恒速直线平移）和“翻滚”（看似不稳定的转弯），以模仿任何随机行走。这种在微尺度上主动运动的新范例为主动悬浮中出现的集体动力学的实验探索开辟了新的机会。我们发现，这些随机步行者的人口表现出的行为，让人想起细菌悬浮液，如动态集群和中尺度的顺从性一样的流。
2019-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flagella-induced transitions in the collective behavior of confined microswimmers
细菌以自由游动状态或固着生物膜状态存在。从自由游动到固着模式的转变的特征在于基因表达的变化，其中包括鞭毛运动的机制。在本文中，我们提出了一个理想化的物理模型，研究鞭毛活动的影响，人口之间的水动力相互作用的微型游泳者。我们发现，减少鞭毛活动诱导流体动力学触发的过渡，在封闭的microswimmer从顺从性的游泳聚集和集群。这些结果表明，鞭毛活动和流体动力学相互作用之间的相互作用提供了一个物理机制，协调集体行为在封闭的细菌，具有潜在的深远影响生物膜的启动。
2014-05-06 physics.flu-dyn
Efficient models for micro-swimmers
我们提出了极小模型的一维，二维和三维的微型游泳者在低雷诺数与周期性的非往复运动。这些游泳者是沿着游泳轴线的流体的“推动者”或“拉动者”，或两者的组合，这取决于游泳运动的历史。我们证明了这一点与线性三珠游泳者通过分析评估的迁移速度和强度的偶极流引起的游泳运动。据发现，每个周期和偶极流行进的距离可以从投影到珠之间的两个距离的交会图上的周期的轨迹所包围的区域上的积分获得。二维和三维模型游泳者可以通过打破游泳运动相对于游泳轴的对称性来翻滚，如大肠杆菌或衣原体的翻滚运动中所发生的那样，其使鞭毛的运动去对称化以重新定向游泳方向。我们还提出了一个五珠模型的“螺旋游泳者”，即与螺旋鞭毛和旋转电机连接到细胞体。我们的五珠游泳者被吸引到附近的墙壁上，在那里它顺时针游泳，就像在螺旋鞭毛细菌实验中观察到的那样。
2010-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The mechanism of propulsion of a model microswimmer in a viscoelastic fluid next to a solid boundary
在本文中，我们研究的模式生物，所谓的泰勒的游泳片，在粘弹性流体接近固体边界的游泳。这种情况包括许多游泳微生物的自然栖息地，虽然以前的调查已经考虑了游泳的边界和游泳的粘弹性流体的影响，很少有这两种影响被同时考虑。我们重新回顾了Elfring和Lauga（Gwynn J.Elfring和Eric Lauga，Saverio E. Spagnolie，editor，Complex Fluids in Biological Systems，Springer New York，New York，NY，2015），并给出了对粘弹性（其倾向于减慢片材）和边界（其倾向于加速片材）的存在的影响的解耦的机械解释。我们还开发了一个数值谱方法，能够找到一个任意振幅和波形的波动片的游泳速度。我们用它来表明，上面提到的解耦不持有在有限的波振幅，并为某些参数的边界的存在下，可能会导致粘弹性效应，以增加微生物的游泳速度。
2018-01-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Force and torque-free helical tail robot to study low Reynolds number microorganism swimming
螺旋推进被许多微生物用于在粘性占主导地位的环境中游泳。它们的游泳动力学是比较好的理解，但详细的流场和驱动机制的研究仍然需要实现壁效应和流体动力学的相互作用。在这封信中，我们描述了一个自主游泳机器人与螺旋尾巴，在斯托克斯政权的发展。该装置使用一个基于电池的动力系统，带有一个微型电机，该电机将旋转速度施加到螺旋形尾部。速度、方向和激活由红外线遥控电子控制。由于机器人约5厘米长，我们使用高粘性流体来匹配雷诺数为$\text{Re} \lessapprox 0.1$。游泳速度的测量是针对一系列螺旋波长$λ$、头部几何形状和旋转速率$ω$进行的。我们提供了来自阻力理论的分析预测的实验测量的比较。这种无力和无扭矩的中性浮力游泳者比以前使用的设计更接近细菌的游泳策略，并为未来的应用提供了很大的潜力。
2021-11-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Environment-dependent swimming strategy of Magnetococcus marinus under magnetic field
趋磁细菌（MTB）是一种具有生物矿化纳米磁体的微生物，具有适应地球磁场的能力。这种性质可能与在水生环境中沿上下方向寻找缺氧-缺氧界面的进化优势有关。到目前为止，MTB的磁场响应（称为趋磁性）已被顺磁模型很好地描述，其中细菌根据磁力矩和定向布朗噪声竞争的纯物理机制沿磁力线被动定向。本文以海洋磁球菌MC-1菌株为MTB模型，研究了海洋磁球菌的趋磁行为，发现海洋磁球菌的趋磁行为受不同类型环境条件的影响，表现出更为复杂的趋磁行为。事实上，虽然发现MC-1游泳者在其生长培养基中游泳时基本上遵循顺磁范例，但它们在缺乏能量源的介质中表现出奔跑和翻滚动力学。翻滚事件被发现提供各向同性的重定向能力，导致细胞逃离其规定的字段方向。这种行为对细胞跨场线探索其环境的能力具有重大影响，并且代表了沿着场施加的轨道来回运动的替代搜索策略。此外，我们表明，除了化学条件，空间/几何约束也能够触发翻滚事件，通过遇到障碍物。总体而言，物理化学环境条件似乎是参与MTB游泳特性的重要参数。根据环境条件，奔跑和翻滚的流动性可能会在寻找营养或生态位方面提供优势，以补充经典的趋磁性。
2016-03-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
The long-time dynamics of two hydrodynamically-coupled swimming cells
游动的微生物如细菌或精子通常存在于稠密的悬浮液中，并且表现出与分离的细胞所表现出的性质不同的集体运动模式。在流体介导的相互作用可以严格处理的稀释极限中，细胞集合的长时间流体动力学是由与许多其他细胞的相互作用引起的，并且因此通常回避分析方法。在这里，我们考虑这样的问题可以严格分析处理的唯一情况下，即当细胞有空间限制的轨迹，如一些海洋无脊椎动物的精子。我们考虑两个球形细胞游泳，孤立时，任意的圆形轨迹，并推导出长时间的运动学的相对运动。我们表明，在稀释的限制，细胞远比他们的大小，和他们的圆周运动的大小，分离的时间尺度之间发生的快速（内在）游泳的时间，和一个缓慢的时间，其中流体动力学的相互作用导致的相对位置和方向的游泳者的变化。我们进行了多尺度分析，并推导出有效的动力系统-二维-描述的长时间的行为对细胞。我们表明，该系统显示一种类型的平衡，和两种类型的旋转平衡，所有这些都被发现是不稳定的。详细的数学分析的动力系统进一步使我们能够表明，只有两个细胞的行为是可能的限制$t\to\infty$，要么细胞相互吸引（可能单调），或者他们被排斥（可能单调以及），我们证实了数值计算。
2009-12-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Propulsion by stiff elastic filaments in viscous fluids
在自然界的微观世界中，在粘性流体中运动的柔性细丝是普遍存在的。例如，细菌和精子的游动以及器官水平的重要生理功能，如纤毛诱导的肺中粘液运动，或单个细胞水平的活动，如肌动蛋白丝或微管，都使用在粘性流体中移动的柔性丝。作为流体-结构相互作用的结果，在这种移动的柔性细丝的动力学中可能出现各种非线性现象。在本文中，我们推导出所需的数学工具，研究被动驱动推进的渐近极限刚性细丝。在刚性极限中的运动导致流体动力学载荷，其使灯丝变形并影响灯丝推进。我们首先推导出一般的数学公式，然后将其应用到螺旋丝的情况下，相关的游泳的鞭毛细菌和人工，磁驱动电机的运输的情况。我们发现，作为灵活性的结果，螺旋丝是拉伸或压缩（符合以前的研究），其轴也弯曲，一个新的结果，我们解释物理。然后，我们探索和解释的扰动推进速度的依赖性，由于变形的相关无量纲的动力学和几何参数。
2019-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Centripetal focusing of gyrotactic phytoplankton in solid-body rotation
本文研究了旋转定向微藻八月衣悬浮液在固体旋转圆柱形水槽中的运动。实验结果表明，浮游藻类围绕旋转轴形成聚集体，聚集体的强度随旋转速度的增加而增加。我们解释这种现象的向心取向的游泳方向对旋转轴。这种向心聚焦与由于细胞随机重定向而产生的扩散通量形成对比。这两种效应的竞争导致了一个平稳的分布，我们从一个精确的旋转运动员的数学模型中解析得出。通过随机模型的数值模拟获得的细胞分布的时间演变，是在定量协议与实验测量的参数范围内探索。
2015-11-04 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Effect of inertia on laminar swimming and flying of an assembly of rigid spheres in an incompressible viscous fluid
本文根据假定的运动方程，研究了无重力条件下不可压缩粘性流体中游动和飞行的力学模型。该系统被建模为一个组件的刚性球体弹性直接相互作用和周期性的驱动力总和为零。在虚拟质量矩阵和组件的摩擦矩阵中考虑了流体动力学相互作用。推导出了装配体几何中心速度的运动方程。平均功率计算为平均耗散率。粘度的全部范围被覆盖，因此该理论可以应用于鸟类的飞行，以及鱼类或细菌的游泳。作为一个例子，三个相等的球体沿一个共同的轴运动的系统进行了研究。
2015-11-26 physics.flu-dyn
Swimming trajectories of a three-sphere microswimmer near a wall
在粘性流中，由自推进的活性颗粒和游动的微生物产生的流体动力学流场被附近边界的存在强烈地改变。使用一个简单的模型三个链接的球体游泳者，我们表明，附近的无滑壁的游泳轨迹揭示了各种方案的运动取决于初始方向和游泳者从墙壁分离的距离。我们发现，游泳者可以被困的墙壁，完全逃脱，或执行振荡滑翔运动在一个恒定的平均高度以上的墙壁。使用远场近似，我们发现，在领先的顺序，壁诱导校正源偶极或四极流结构的平移和角速度的游泳者衰减为倒数第三和第四权力与距离墙，分别。所得到的运动方程的轨迹和相关的序参量充分表征状态之间的过渡，并允许一个准确的描述附近的墙壁的游泳行为。我们证明了捕获和振荡滑动状态之间的过渡是一阶不连续的，而捕获和逃逸状态之间的过渡是连续的，其特征在于非平凡的标度指数的序参量。为了模拟固体界面附近的鞭毛细菌的圆周运动，我们进一步假设球可以围绕游泳轴进行旋转运动。我们表明，一般的三维运动可以映射到一个准二维的代表性模型通过适当的重新定义的序参量之间的过渡游泳状态。
2018-03-14 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Wave-controlled bacterial attachment and formation of biofilms
当细菌附着在基质上时，流体内的固体表面上的细菌生物膜开始形成。了解影响附着的环境因素和生物膜发展的早期阶段以及生物膜控制的主动方法的发展对于许多应用是至关重要的。在这里，我们表明，生物膜的形成是强烈影响的流体动力学所产生的表面波层中的细菌悬浮液的流动。确定性的波图案促进图案化生物膜的生长，而波驱动的湍流运动破坏图案。附着在固体基质上的细菌的位置不同于非活性细菌和被动微粒的沉降位置：在波腹下形成强生物膜，而被动微粒和非活性细菌在节点下沉降。通过控制波图案的波长和水平移动性，可以使生物膜形成成形并增强生物膜生长，或者阻止生物膜图案的形成。结果表明，确定性的波驱动的运输，而不是流体动力，确定细菌附着的首选位置。
2019-10-28 physics.app-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
A Calibrated Reduced-Order Force Model for Bacterial Hydrodynamics in Free Space and Near a Planar Boundary
Trinity University（三一大学）；Tulane University（杜兰大学）；Centre College（中心学院）
针对细菌水动力学模拟中近场精度与计算效率的矛盾，提出基于正则化Stokeslet的降阶力模型，通过约束最小二乘校准和主成分分析减少力点，在自由空间和平面边界保持主导流动结构，降低计算成本。
2026-09-15 physics.flu-dyn
