Self-propelled rods exhibit a novel phase-separated state characterized by the presence of active stresses and the ejection of polar clusters
我们研究收集的自推进杆（SPR）在两个维度上移动的包装分数小于或等于0.3。我们发现，在临界温度下，SPR发生了从无序气体到新的相分离系统态的相变。有趣的是，（全球）取向秩序模式-相反，已经建议-消失在这个限制。在发现的新状态下，SPR自组织成一个高度动态的，高密度的，紧凑的区域-我们称之为聚集体-它被无序气体包围。聚集体内部的主动应力是局部取向有序和主动力共同作用的结果。这导致了这些聚合物最显著的特征：SPR极性簇的不断喷射。这种新的相分离状态代表了一种新的物质状态，其特征在于体积和形状的大波动，与质量喷射有关，并表现出位置和取向的局部秩序。由于密度、活性应力和取向顺序之间的耦合（这种耦合不能简单地简化为速度和密度之间的耦合），SPR系统显示出在其他活性物质系统中看不到的新物理。
2015-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective dynamics of self-propelled particles with variable speed
理解生物系统中集体运动的组织是一个持续的挑战。本文考虑变速自推进质点的一个极小模型。从学校的鱼的实验数据的启发，我们引入了幂律依赖的每个粒子的速度在其附近的偏振阶的程度。我们推导出一个粗粒度的连续近似分析这个模型，并发现，虽然变速规则不改变的顺序过渡导致集体运动的细节，它引起的速度或局部极化顺序和局部密度之间的逆幂律相关性。使用数值模拟，我们验证了这种连续描述的有效性范围和探索制度超越it.We发现，在无序状态接近过渡，一个相分离的制度，大多数粒子集群成几乎静态的群体包围孤立的高速粒子。我们认为，负责这一制度的机制可能存在于广泛的集体运动动力学。
2012-02-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective behavior of self-propelled rods with quorum sensing
活性剂-如运动性测定中的泳动颗粒、细菌、精子和细胞骨架丝-显示出多种多样的运动性诱导的集体行为，如聚集、聚集和相分离。在生物膜形成过程中，泳动颗粒和细菌的致密悬浮液的行为由两种主要的物理机制决定：（i）体积排阻（短程空间排斥）和（ii）群体感应（由于局部化学环境的改变而导致的较长距离的减少的推进）。为了系统地表征这样的系统，我们研究半穿透自推进杆在两个维度上，与推进力，随着当地杆密度的增加，采用布朗动力学模拟。体积排斥和群体感应都导致相分离，然而，结构和杆动力学有很大的不同。群体感应增强了团簇的极性，诱导了团簇边缘的杆状细胞的非对称性，并增强了团簇形成。对于系统，其中杆在高密度下基本上变得被动，观察到星状和条纹的形成。与具有较小纵横比的杆相比，具有较大纵横比的杆系统显示出更有序的结构，这是由于它们具有更强的对齐，具有几乎圆形的星状结构，以获得强烈的密度依赖性推进力。随着群体感应相互作用范围的增大，局域密度减小，星状结构变得不稳定，并出现极性刺猬簇和具有结构域的簇。我们的研究结果表征结构的形成和动力学由于两个质量不同的相互作用机制，空间位阻和群体感应，这两个相关的工程泳微泳以及生物膜形成的细菌的竞争。
2018-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Density Induced Phases in Active Nematic
我们引入一个极小模型，研究了二维基底上一系列自推进的非极性活性粒子（也称为“活性向列体”）随密度变化的有序-无序转变。粒子与它们的邻居在Lebwohl-Lasher模型的框架内相互作用，并沿着它们的方向不对称地移动到最近的未被占据的晶格位置。当密度低于平衡态各向同性-带状转变密度时，活性碳发生从各向同性态到带状态的一级转变。带状态在一定的密度范围内延伸，系统的标量序参量表现出类似于磁系统的平台行为。在大密度极限下，激活态表现出介于具有整体有序性的均匀有序态和具有局部有序性的非均匀混合态之间的非线性行为。对上述具有密度变化的阶段的研究很少，并且对许多生物系统的复杂行为提供了重要的见解。
2015-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Propagating wave in the flock of self-propelled particles
本文研究了二维空间中相互作用自推进粒子的线性化流体动力学方程。发现密度场和偏振场的小扰动满足双曲型偏微分方程，该方程允许解析传播波解。这些解决方案揭示了可疑的自推进粒子的植绒状态下的行波带形成。在临界噪声强度以下，不稳定的无序状态（随机运动）经历瞬态涡旋，并作为单向行波演化到有序状态（群集运动）。根据噪声强度的不同，出现了两种可能的纵波模式，即稳定状态下的单带模式和不稳定状态下的多带模式。理论和实验研究的比较。
2018-12-29 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motility versus fluctuations in mixtures of self-propelled and passive agents
许多生物系统由自我运动和被动的代理人，这两者都有助于整体功能。然而，对这种混合物的性质的研究很少。在这里，我们制定了一个模型的自动和被动剂的混合物，并表明，该模型产生了三个不同的动力学阶段：一个无序的mesoturbulent阶段，一个极性植绒阶段，和一个涡旋阶段，其特征在于大规模的反向旋转的旋涡。我们使用数值模拟来构建相图，并比较自运动细菌悬浮液模型的不同阶段的统计特性。我们的研究结果提供了关于微生物和被动颗粒的相互作用的具体见解，并为人工活性物质的有效技术实现提供了新的战略指导。
2014-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Collective Vortical Motion and Vorticity Reversals of Self-Propelled Particles on Circularly Patterned Substrates
通过对极化和不相交的环状聚合物的粗粒分子动力学模拟，研究了自推进粒子在圆形图案化基底和圆形约束共同作用下的集体行为.该研究是在广泛的范围内的值的SPPs包装分数$\barϕ$，运动力$F_D$，和面积分数的图案化区域。在低包装分数，SPPs被排除在系统的中心，并表现出由基板在$F_D$的中间值占主导地位的旋涡运动。该禁区是由于驱动力和由基板引起的扭矩之间的耦合，其引起SPP的向外螺旋运动。对于高值的$F_D$，从中心的SPPs排除是由限制边界。在高值的$\barϕ$，衬底图案导致反转的涡，这成为准周期性的增加$\barϕ$。我们还发现，基板图案是能够分离的SPP基于他们的motilities。
2023-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Collision between chemically-driven self-propelled drops
本文用解析和数值方法研究了两个自推进液滴的迎面碰撞问题。每一滴都是由化学反应驱动的，化学反应产生或消耗浓度各向同性。浓度场的各向同性分布被液滴的运动破坏，液滴的运动本身是由浓度依赖的表面张力的Marangoni流产生的。这种打破束缚的自推进与其他自推进机制不同，这是由于内在的极性，如蠕动和自泳运动;有一个分叉点，在该点以下液滴是静止的，在该点以上它自发地移动。当两个液滴沿同一轴线运动时，液滴之间的相互作用既有流体力学的作用，也有浓度重叠的作用。我们发现，两滴表现出弹性碰撞或融合取决于从分歧点的距离控制，例如，由粘度。弹性碰撞是由化学反应的耗散和能量注入之间的平衡引起的。我们推导了两滴之间碰撞的简化方程，并分析了两种相互作用的贡献。浓度介导的相互作用被发现占主导地位的流体动力学相互作用。
2016-10-06 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Large density expansion of a hydrodynamic theory for self-propelled particles
近年来，人们提出了一种适用于Vicsek型自推进粒子模型的Enskog型动力学理论[T。Ihle，Phys.Rev.E83，030901（2011）]。该理论基于相空间中马尔可夫链的精确方程，并且不限于小密度。以前，流体动力学方程是从这个理论推导出来的，它的输运系数是以无穷级数形式给出的。在这里，我表明，输运系数采取一个简单的形式在大密度极限。这使我能够分析评估众所周知的密度不稳定性的极性有序相附近的植绒阈值在中等和大密度。纵向扰动的增长率计算和几个标度制度，包括三个不同的幂律，被确定。结果表明，在大密度下，在较小的噪声下，有序相的再稳定化在流体动力学理论的有效范围内是解析可及的。给出了不稳定带的宽度、最大增长率和波数的解析预测。特别是，系统的大小低于均匀有序状态的空间扰动是稳定的，预测规模与$\sqrt{M}$，其中$M$是碰撞伙伴的平均数。计算了直到不稳定性变得可见的典型时间尺度，并且与M成比例。
2015-01-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Active Brownian motion of an asymmetric rigid particle
在一个平坦的基板上的棒状自推进颗粒的个人运动进行量化。符合本描述的生物系统可以是革兰氏阴性δ-变形杆菌黄色粘球菌、革兰氏阴性细菌大肠杆菌和线粒体。也有非生命的类似物，如振动的极性颗粒和自驱动的各向异性胶体颗粒。为此，我们研究了二维非对称棒状刚性粒子沿其长轴以固定速度自推进的布朗运动。还考虑了这种粒子在均匀外势场中的运动。这里提出的理论模型预计将更好地描述单个细胞的运动，以及在2D细胞内运输比以前的模型。
2012-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-propelled deformable particle model for keratocyte galvanotaxis
本研究构建了描述鱼类角膜细胞趋电性的粗粒化唯象模型，揭示细胞形状-速度耦合引发振荡/圆周运动的机制，预测不同细胞特性及电场切换模式下的细胞运动响应规律。
2022-04-04 physics.bio-ph q-bio.CB
Symmetry-restoring crossover from defect-free to defect-laden turbulence in polar active matter
本文揭示极性活性物质中无缺陷与含拓扑缺陷活性湍流之间的渡越，发现该渡越伴随$\SO(2)$对称性恢复，并通过拓扑电荷密度场稳定性分析给出渡越判据，同时发现两类湍流在大尺度上具有普适标度行为。
2023-05-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Memory-Driven Self-Propulsion and Flocking of Chemically Active Droplets
Washington University in St. Louis（华盛顿大学）；Northwestern University and The University of Chicago（西北大学和芝加哥大学）
研究生物分子凝聚物相关问题，通过发展具有非马尔可夫反应的活性相分离理论，揭示延迟反应反馈对液滴状态的影响，以及在多液滴系统中的作用，确立反应记忆为控制参数，关联多种细胞行为。
2026-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Collective Motion with Anticipation: Flocking, Spinning, and Swarming
我们调查的集体动力学的自推进粒子能够探测和预测他们的邻居的方向。我们发现，一个简单的预期策略阻碍了同质群集模式的出现。然而，预期促进了另外两种形式的自组织：集体旋转和群集。在自旋阶段，所有粒子都遵循同步的圆形轨道，而在群集阶段，人口凝聚成一个紧凑的群体，不需要任何凝聚力的相互作用就可以连贯地巡航。我们定量表征和合理化这些阶段的极性活性物质，并讨论了潜在的应用程序的群集机器人的设计。
2015-01-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
