Dynamics of confined suspensions of swimming particles
低雷诺数直接模拟大人口的流体动力相互作用的游泳粒子之间的平面壁进行。模拟的结果进行了比较，与一个理论，描述稀释悬浮液的游泳者。该理论产生缩放与浓度的扩散系数和速度波动，以及流体速度的空间自相关函数的预测。即使对于不相关的游泳者，该理论也预测了附近流体元素之间的相互关系，这些流体元素对应于流体中的漩涡状旋转运动，其长度尺度由游泳者的大小和狭缝高度设定。非常相似的结果出现从充分的模拟表明，无论是相关的运动的游泳者是不显着的浓度考虑或流体相的自相关性不是一个敏感的措施的相关运动。这一结果与无约束系统的结果形成鲜明对比，对于无约束系统，流体自相关捕获大规模集体流体结构。由限制引入的附加长度尺度（屏蔽长度）似乎阻止了这些大尺度结构的形成。
2008-11-12 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimmer suspensions on substrates: anomalous stability and long-range order
我们提出了一个全面的理论的动力学和波动的二维悬浮的极性活性粒子在不可压缩流体局限于基板。我们表明，依赖于一个单一的参数的符号，一个状态与极性取向顺序是非常稳定的（或非常不稳定），与非零的松弛（或增长）率为零波数的角波动。这种在稳定状态下对对称性破缺模式的屏蔽确实会导致常规的而不是Bricard等人所认为的巨大的数字波动，Nature ${\bf 503}$，95（2013），但是它们在展曲稳定的群中的弯曲不稳定性不存在，并且极性相在二维中具有长程序。我们的理论也描述了受限的三维薄膜悬浮液的活性极性粒子以及致密的可压缩的活性极棒，并预测了一个植绒过渡没有带状不稳定性
2019-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The role of correlations in the collective behaviour of microswimmer suspensions
在这封信中，我们研究了大量的自我推进的microswimmer浸没在流体中的集体行为。使用前所未有的大规模格子玻尔兹曼模拟，我们再现了细菌湍流的过渡。我们发现，即使低于过渡，游泳运动在一个相关的方式，不能描述的平均场方法。我们开发了一种新的动力学理论，捕捉这些相关性，是非微扰的游泳者密度。为了提供一个实验上可访问的相关措施，我们计算被动示踪剂的扩散率，并揭示其非平凡的密度依赖性。该理论是在定量协议与格子玻尔兹曼模拟，并捕捉不对称的推和拉游泳下面的过渡到湍流。
2017-07-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective dynamics and rheology of confined phoretic suspensions
类似于它们的生物学对应物，化学活性自泳游泳者的悬浮液表现出非平凡的动力学，涉及自组织过程作为粒子间相互作用的结果。使用动力学模型的自趋化Janus颗粒的稀悬浮液，我们分析了这些集体行为和趋化聚集的有效粘度的活性流体的影响的一个封闭的压力驱动流的效果。四个动态制度时，确定增加的强度施加的压力驱动的流，每一个与不同的集体行为产生的竞争流和化学诱导的重新定向的游泳者一起限制。有趣的是，我们观察到，推动器的效果（分别为。拉料器）流体动力学特征，已知这会降低（相应地，增加）剪切悬浮液的有效粘度，在出现自趋化聚集时反转。我们的研究结果提供了新的见解集体动力学在复杂的环境中，这是相关的合成以及生物系统的作用。
2022-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A stochastic model for bacteria-driven micro-swimmers
最近的实验表明，利用细菌作为微型机器人设备的可行性，特别注意细菌驱动的微型游泳者利用细胞的内置驱动和传感机制的发展。在这里，我们提出了一个随机流体动力学模型来描述分析和计算的微观粒子的动力学驱动的表面附着的细菌进行运行和翻滚运动的运动。我们计算的旋转扩散系数，游泳速度和有效扩散系数的解析表达式。在短时间内，均方位移（MSD）与游泳速度的平方成比例，这与颗粒大小无关（对于固定密度的附着细菌），并与附着细菌的数量线性缩放;相反，在长时间内，MSD与游泳者的大小成二次比例，并与细菌的数量无关。然后，我们扩展我们的结果的情况下，表面附着的细菌进行趋化性内的线性响应制度。我们证明，细菌驱动的颗粒能够执行人工趋化性，与化学浓度梯度中的趋化性漂移速度线性和独立的颗粒的大小。我们的研究结果验证了数值模拟的布朗动力学极限，并将相关的生物医学应用的微型游泳者的优化设计。
2019-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Large-scale simulation of steady and time-dependent active suspensions with the force-coupling method
我们提出了一个新的发展的力耦合方法（FCM），以解决大量的相互作用的微型游泳者的精确模拟。我们的方法是基于蠕动模型，我们适应FCM框架，从而产生一种方法，适合于模拟半稀释蠕动悬浮液。其他影响，如空间相互作用，被认为是与我们的模型。我们测试我们的方法，通过比较一个单一的蠕动和两个蠕动之间的相互作用与精确解的Stokes方程和其他数值方法给出的结果的速度场。我们还说明了我们的方法的能力来描述球形游泳者的形状和生物相关的时间依赖性游泳步态。我们详细的数值算法用于计算之间的流体动力学耦合的大型集合（$10^4-10 ^5$）的微型游泳者。使用这种方法，我们调查的出现极序悬浮的蠕动，并表明，对于大的域，无论是稳态的极序参量和增长率的不稳定性是独立的系统大小。这些结果表明，我们的方法的有效性，以实现近连续水平的结果，允许更好地与实验测量比较，同时补充和通知连续模型。
2015-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体（JPs）自推进作为自生的化学梯度的结果，并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内，长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于（i）粒子的自推进速度，（ii）粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和（iii）它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系，我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系，并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析，我们表明，自推进可以诱导波选择机制，某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟，分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明，在粒子密度的规则图案促进化学信号，但防止由极化粒子集体产生的强流体流动，无论其趋化或抗趋化性质（即拉和推游泳）。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Mixing by Swimming Algae
在这个流体动力学视频中，我们展示了被动示踪粒子在游泳微藻，莱茵衣藻悬浮液中的微尺度混合增强。这些双鞭毛、单细胞真核生物（直径10微米）以大约100微米/秒的速度以鞭毛的“蛙泳”拉动运动游动，并表现出不均匀的轨迹形状。荧光示踪颗粒（2微米直径）使我们能够量化的游泳者，这是有关悬浮饲料和生物源混合所造成的增强混合。在没有泳者存在的情况下，示踪粒子仅由于布朗运动而缓慢扩散。随着浓度的增加，示踪剂位移的概率密度函数（PDF）发展出强指数尾，高斯核加宽。高速成像（500赫兹）的示踪剂-游泳者的相互作用表明鞭毛跳动的重要性，在创造振荡流，超过布朗运动约5细胞半径的游泳者。最后，我们还显示了可能的合作运动和游泳藻细胞之间的同步的证据。
2009-10-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Non-ideal rheology of semidilute bacterial suspensions
用动力学理论的工具研究了半稀细菌悬浮液的流变学，考虑了二元相互作用，超越了理想气体近似。两种模型的相互作用被认为是，其中包括空间和短程相互作用。在这些情况下，游泳者可以不考虑碰撞前的状态而极性地对齐，或者他们可以轴向地对齐，如果导向器之间的相对角度较大，则可能最终反平行。在这两种情况下，它被发现，一个有序的阶段发展时，增加密度，其中的剪切应力振荡幅度大，当施加一个恒定的剪切速率。这种振荡消失的大剪切速率在连续或不连续的过渡，这取决于排列是极性或轴向，分别。对于推进器泳动者，这些非线性效应可产生剪切应力的增加，这与用理想气体近似对稀状态所作的粘度降低的预测相反。
2019-01-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Gyrotactic swimmer dispersion in pipe flow: testing the theory
微泳者的悬浮是迷人的新流体力学的丰富来源。最近，我们预测了旋转定向微藻的主动管流分散，其方向受到重力和流动剪切的影响。分析理论预测，这些积极的游泳者分散在一个显着不同的方式从被动示踪剂（泰勒分散）。分散游泳者显示非零漂移和有效扩散率，这是非单调的P $é$ clet数。这样的预测与数值模拟相一致，但迄今为止还没有经过实验检验。在这里，为了便于比较，我们获得新的解决方案的轴向分散理论占游泳者负浮力和当地的非线性响应的游泳者剪切，提供了两个替代微观随机描述。我们获得了新的预测悬浮液的模型游泳的patient $\it Dunaliella\,salina$，其运动性和浮力质量，我们parametrise使用跟踪视频显微镜。然后，我们提出了一种新的实验方法来测量回旋色散使用荧光染色$\it D. salina$，并提供了一个初步的比较与预测的非零漂移以上的平均流量为每个微观随机描述。最后，我们提出了进一步的实验，一个完整的实验特性的回旋分散措施，并讨论了我们的研究结果的影响藻类分散在工业光生物反应器。
2017-03-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Micro-swimmer locomotion and hydrodynamics in Brinkman Flows
Universidad de Chile（智利大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）
研究微游泳器在Brinkman流体中的运动特性及流体动力学行为，推导了哑铃游泳器的游泳速度与阻力关系，并分析了远场流场的解析表达式。
2025-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Micro-swimmer collective dynamics in Brinkman flows
本研究针对复杂生境中微型游泳者的集体动力学问题，建立Brinkman湿多孔介质中的连续介质耦合理论，通过分析与模拟发现阻力可延迟、阻碍甚至完全抑制集体游泳不稳定性，为相关实验提供理论参考。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transport of a dilute active suspension in pressure-driven channel flow
本文通过动力学模型研究压力驱动通道流中稀活性悬浮液的受限输运行为，揭示壁面聚集源于运动学效应，并推导出逆流游动速度的解析表达式。
2015-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimmers in thin films: from swarming to hydrodynamic instabilities
我们从理论上研究了低雷诺数游泳者被限制在两个维度的薄流体膜悬浮的集体动力学。我们的模型游泳者的特点是内部自由度，局部施加积极的压力（力偶极子或四极杆）的流体。我们发现，介导的薄膜的流体动力学相互作用可以引起自发的连续对称性破缺（群集），无论是极性或非均匀秩序的状态。对于双极游泳者，划水平均动力学足以确定集体行为的主要贡献。相反，对于四极游泳运动员，我们的分析表明，内部动力学的详细功能发挥了重要作用，在确定散装行为。在对称性破缺阶段，我们研究了系统的流体力学变量的波动，发现这些波动破坏了系统的有序性。有趣的是，这种不稳定性并不是普遍的，而是取决于长度尺度。
2010-12-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Globally aligned states and hydrodynamic traffic jams in confined active suspensions
强约束的活性液体受到独特的流体动力学相互作用，由于动量屏蔽和润滑摩擦的限制壁。通过数值模拟，我们证明了Hele-Shaw几何中前后非对称极泳运动员的二维稀悬浮液可以表现出丰富多样的新相行为，这些行为取决于粒子的形状，包括：全局对齐的相干极化密度波、静止星状体、持续的反向旋转涡旋、密度激波和稀疏波.我们还解释了这些现象，使用线性稳定性分析和非线性交通流模型，均来自平均场动力学理论。
2013-07-24 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Inertia drives a flocking phase transition in viscous active fluids
一群定向的可伸展游泳者必须游多快才能逃脱粘性主动悬浮液的不稳定性？我们发现，答案在于无量纲的组合$R=ρv_0^2/2σ_a$，其中$ρ$是悬浮液的质量密度，$v_0$的游泳速度和$σ_a$的主动应力。线性稳定性分析表明，对于小的$R$扰动增长率线性波数$q$，占主导地位的不稳定模式涉及扭曲。在我们的数值研究中得到的稳定状态是各向同性的刺猬缺陷湍流。超过第一个阈值$R$的顺序统一，我们发现一个较慢的增长率，$O(q^2)$ ;数值观察到的稳定状态是{ \it相湍流}：噪音，但平均{ \it对齐}。我们提出的数字证据在三维和二维的惯性驱动的植绒过渡是连续的，与增长的相关长度接近过渡。对于大得多的$R$，我们发现一个对齐的状态线性稳定的扰动在所有$q$。我们的预测应该可以在中尺度游泳者的悬浮液中进行测试[D Klotsa，Soft Matter \textbf{15}，8946（2019）]。
2021-11-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phoretic and hydrodynamic interactions of weakly-confined autophoretic particles
受光粒子利用其表面自生的物理化学梯度进行自我推进。在悬浮液中，它们通过使周围的流体运动来进行流体动力学相互作用，并通过改变其邻居所看到的化学背景来进行化学作用。虽然大多数泳动系统由于浮力效应在密闭环境中发展，但大多数模型都专注于无界流中的相互作用。在这里，我们提出了第一个模型的相互作用的泳动粒子在Hele-Shaw限制，并表明，在这个限制，流体动力学和泳动相互作用不仅共享相同的缩放，但也有相同的形式，虽然在相反的方向。从本质上讲，我们表明，泳相互作用有效地扭转的相互作用，将获得纯粹的流体动力学相互作用的游泳运动员的迹象。然而，流体动力学相互作用不能被忽略，因为它们显著地影响相互作用的大小。然后，该模型用于分析悬架的行为。悬浮液表现出漩涡和集群集体模式决定的粒子之间的取向相互作用，类似于流体动力学游泳者，但在这里由泳动粒子的表面性质;反转的相互作用的迹象往往会减慢游泳运动的粒子。
2019-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A 2-D suspension of active agents: the role of fluid mediated interactions
考虑到同时Vicsek短程有序和远场流体动力学相互作用介导的周围流体，我们调查的作用，长程相互作用的有序现象中的准2维主动悬浮液。通过研究悬浮液中粒子数的涨落、速度的关联函数和粒子团大小的分布函数，我们观察到流体动力学相互作用对悬浮液中粒子有序性的影响取决于粒子数密度和噪声强度。对于一个固定的噪声值，在大密度的粒子，长程相互作用增强系统中的聚类。
2016-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Near and far-field hydrodynamic interaction of two chiral squirmers
水动力相互作用强烈地影响着微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个自推进手征泳者在低雷诺数区域的行为，同时考虑了近场和远场的相互作用。我们使用的手征蠕动模型，一个非轴对称的表面滑移速度，它概括了著名的蠕动模型的球形体。我们计算了当游泳者彼此非常接近时，他们之间的润滑力。通过改变滑移系数和游泳者的初始构型，我们研究了他们的水动力行为。在存在润滑力的情况下，游泳者要么彼此排斥，要么表现出游泳者之间的距离周期性地改变的有界运动。在某些参数范围内，润滑力有利于有界运动。本研究有助于理解纤毛虫微生物密悬液和人工游泳者的集体行为。
2022-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organization of swimmers drives long-range fluid transport in bacterial colonies
细菌通常生活在结构化的群落中，影响人类健康和生态系统。异质种群，如运动和非运动种群，经常共存于细菌群落中。微生物群落中的运动亚群被认为是重要的扩散，寻找食物，和物质运输。然而，除了在运动细胞驱动菌落扩张（例如细菌群集）的情况下，细菌群落中运动亚群的生理功能在很大程度上是不清楚的。在这里，我们发现，在常规培养的无柄菌落的围毛鞭毛细菌的运动细胞可以自我组织成两个相邻的，厘米级的运动环周围的整个殖民地。运动环产生于模仿相分离的均匀游泳者悬浮液的自发分离;该过程由细胞间相互作用和剪切诱导的耗竭介导。作为这种自组织的结果，细胞驱动流体流以大约每秒30微米的恒定峰值速度围绕集落循环，为宏观尺度的定向材料运输提供稳定和高速的途径。这些发现提出了一种独特的细菌自组织形式，影响细菌群落中的种群结构和物质分布。
2019-04-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stability and Spatial Autocorrelations of Suspensions of Microswimmers with Heterogeneous Spin
活跃微粒的流体动力学相互作用在我们星球的流体环境中是普遍存在的。因此，了解这些自推进粒子的相互作用对科学和工程至关重要。在本文中，悬浮液的主动游泳者转子颗粒已被数学建模，通过扩展先前开发的随机动力学理论来分析多个自旋速度种群的microswimmer和microrotors的异质集合。本文使用这种建模方法来获得大规模的性能，如悬浮液的不稳定性和空间相关性的活性颗粒的见解，并突出了活性颗粒的旋转对悬浮液的行为的作用。本研究将着眼于分析解释斑图形成的结果观察到的自推进微粒使用数值和实验室实验。
2022-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Controlling the collective transport of large passive particles with suspensions of microorganisms
Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（巴黎综合理工学院，巴黎理工学院）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）
通过光趋性微藻诱导生物对流卷，实现数百个大尺寸被动颗粒的集体运输，用于药物输送和去污应用。
2025-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic Synchronisation of Chiral Microswimmers
本文利用大规模数值方法研究了具有手征轨迹的球形微泳者在悬浮液中的同步行为。模型是通用的。它对应于低雷诺数下自推进的一般模型的最低阶解，该模型由非轴对称旋转源偶极子组成。我们表明，纯粹的圆形和螺旋游泳者可以自发地同步旋转。同步状态对应于在极坐标和方位角方向上具有高取向顺序的速度对准。最后，我们考虑一个外消旋混合物的螺旋游泳，观察种内同步，而系统仍然是一个空间均匀的流体。我们的研究结果表明，流体动力学同步作为一个自然的集体现象的手征轨迹的微泳。
2023-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspensions of swimming filamentous bacteria
我们研究的集体动力学细长的游泳者在一个非常薄的流体层设计长，丝状，非翻滚细菌。强约束诱导弱的碰撞时，其中，足够大的密度的细胞，引起全球的有序排列。这种均匀但波动的相，在最大的实验上可达到的毫米尺度上观察到，表现出由标准模型预测的群集特性，如Vicsek风格的极性粒子模型与排列：真正的长程有序和非平凡的巨数波动。
2017-02-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Phase separation and rotor self-assembly in active particle suspensions
向被动胶体中加入非吸附性聚合物通过“耗尽”机制诱导颗粒之间的吸引力。足够高的聚合物浓度导致相分离。我们结合实验，理论和模拟来证明，使用活性胶体（如能动细菌）显着改变这种混合物的物理。首先，需要显著更强的颗粒间吸引力来引起相分离。其次，在较低的颗粒间吸引力下形成的有限尺寸聚集体显示出单向旋转。这些微型转子展示了使用活性颗粒的功能结构的自组装。旋转菌群的角速度与其大小成反比，这可以通过假设菌群中最外层细菌施加的扭矩随机相加来理解。我们的模拟表明，相分离的抑制和转子的自组装是聚集游泳者的一般特征，因此应该发生在各种生物和合成活性粒子系统。
2012-04-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic Instabilities of Active Jets
本文结合理论、实验与数值模拟，揭示了取向活性游动粒子射流中拉伸型粒子引发珠串失稳、推进型粒子引发螺旋失稳的机制，并刻画了其非线性演化规律。
2025-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Helical and oscillatory microswimmer motility statistics from differential dynamic microscopy
微生物种群或人工推进粒子的游动统计的实验表征对于理解主动系统的物理学及其利用是必不可少的。在这里，我们构建了一个理论框架，从微分动态显微镜（DDM）获得的中间散射函数（ISF）中提取微游泳者的三维运动信息。我们推导出螺旋和振荡蛙泳运动员的ISF的理论表达式，并通过将其应用于从具有精确控制的动态的模拟游泳运动员生成的视频序列来测试理论框架。然后，我们讨论了如何将我们的理论可以应用到螺旋游泳者的实验研究，如活跃的Janus胶体或悬浮液的能动微藻。特别是，我们展示了如何拟合DDM数据到一个简单的，非螺旋ISF模型可以用来获得三维螺旋运动参数，因此可以在没有专门的3D显微镜设备。最后，我们讨论了我们的研究结果如何帮助活性物质的研究，并描述了生物学和生态学的重要性的应用。
2019-04-10 physics.bio-ph q-bio.QM
Lattice-Boltzmann Simulations of Microswimmer-Tracer Interactions
流体动力学的相互作用，在系统中的自推进粒子，如游泳的微生物，和被动示踪剂有显着影响的示踪剂动力学相比，相当于“干”的样品。然而，由于其计算成本，这种相互作用通常难以在模拟中考虑。在这里，我们使用基于有效的力/反力的晶格-玻尔兹曼（LB）算法[J. de Graaf~ \textit{et al.}，J. Chem. Phys.~ \textbf{144}，134106（2016）]，以验证其捕获相关低雷诺数物理的能力。我们表明，LB算法再现远场的理论结果以及，无论是在一个系统中的周期性边界条件和在一个球形腔无滑壁，我们在这里推导出表达式。LB算法的力-晶格耦合导致流场的“涂抹”，这强烈地干扰了示踪剂轨迹在密切的游泳者示踪剂分离，我们分析了如何使用一个简单的重整化流体动力学理论可以准确地捕捉到这种效果。最后，我们表明，使用LB算法来模拟系统的自推进粒子时，必须小心，因为其有限的动量传输时间可能会导致显着偏离理论预测的基础上斯托克斯流。这些见解应证明相关的未来研究的大规模microswimmer悬浮液使用这些方法。
2017-05-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
