Swimmer-Types of Optimum Surface-Driven Active Particles
本研究利用最小耗散定理数值探究最优表面驱动活性微游动者的类型，发现前后对称的微游动者呈中性型行为，非对称结构的类型则取决于主导变形模式及应力元的非线性依赖关系。
2024-10-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shear-induced bimodality and stability analysis of chiral spheroidal swimmers
本文研究了平面通道中受Poietille流（压力驱动）作用的手征（圆泳）和非手征泳者的剪切诱导行为。游泳者被建模为主动的布朗球体，以固定的速度自推进，沿着对称轴指向。我们认为这两种情况下的扁长和扁圆的游泳者，并主要集中在游泳者，拥有一个内在的，或主动的，逆时针角速度，除了剪切引起的角速度，他们获得的通道内流（杰弗里轨道）。概率的结果是建立使用Smoluchowski方程内的位置取向相空间，数值求解。我们发现，剪切和手性诱导的角速度之间的相互作用，结合由于粒子自推进和空间粒子壁相互作用的影响，导致一个有趣的范围内的效果，包括钉扎，偏心和近壁积累的游泳者在通道内。这进一步伴随着游泳运动员的线性稳定性分析，用于解释概率结果。我们讨论了定性差异的概率结果，出现由于不同制度的旋转动力学的游泳者在通道流，特别是剪切捕获/逃逸的扁长/扁圆形的游泳者和不同的纬度与每个游泳者的形状相关的固定点。我们的研究结果指出，可能的机制，流动驱动分离的活性球状粒子的手征强度的基础上。
2023-02-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Chiral swimmer with a regular arbitrary active patch
本文研究具有规则任意活性贴片的手性球形游动体在低雷诺数下的流体动力学，通过解析计算速度、旋转率和流场，发现任意贴片模型最大速度可达1.45倍全覆活性参考速度，并揭示了低疏水性和贴片构型对游动效率的优化作用。
2024-11-19 physics.flu-dyn
Hydrodynamics of confined active fluids
我们从理论上描述了限制在薄液膜中的游动种群的动力学。我们首先证明了封闭游泳者之间的流体动力学相互作用仅取决于它们的形状，并且独立于它们特定的游泳机制。我们还表明，由于与墙壁的摩擦，限制游泳者不重新定向，由于流动梯度，但流场本身。然后，我们量化的后果，这些微观的相互作用规则的大规模流体力学的各向同性人口。我们详细研究了它们的稳定性和由此产生的相行为，突出了与传统的主动，三维悬浮液的差异。两类极地游泳者根据其几何极性而被区分。第一类产生的相干定向运动在所有尺度，而对于第二类，我们预测自发形成的相干集群（群）。
2012-08-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Is the active suspension in a complex viscoelastic fluid more chaotic or more ordered?
研究发现，在复杂粘弹性流体中，聚合物通过增强游动者极化和方向有序性，促进主动悬浮体的有序性。
2025-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Stokesian swimmers and active particles
本文在低雷诺数双线性游动理论的框架内研究了畸变球体的净稳态流型。有人认为，相互作用的活性粒子的理论的出发点应该是基于这样的计算，因为任何任意选择的稳态流型不一定是游泳运动的结果。此外，它强调，作为一项规则，中风的阶段是相关的水动力相互作用，因此，净流模式必须谨慎使用。
2015-02-01 physics.flu-dyn
Defect turbulence in a dense suspension of polar, active swimmers
该研究针对极性活性游动体稠密悬浮液，揭示了无量纲参数$R$对系统稳定性的调控机制，并通过数值模拟发现了$R<R_2$时的缺陷湍流及缺陷空间分布的隐藏转变。
2023-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pair Dispersion in Dilute Suspension of Active Swimmers
生物和人工微泳者的集合产生具有强烈非平衡波动的长程速度场，这导致嵌入颗粒（示踪剂）的扩散率急剧增加。虽然这种增强的扩散率可能指向流体的增强的混合，但混合效率的严格量化需要分析示踪剂的成对分散，而不是简单的单粒子扩散率。在这里，我们计算分析的相对扩散系数的被动示踪剂嵌入在一个稀释的悬浮液中的运行和翻滚microswimmer的尺度相关。虽然每个示踪剂受到强烈的波动，导致大的绝对扩散率，小规模的相对分散被抑制，由于流体速度的相关性，这是相关的，当示踪剂间的分离是低于游泳运动的持续长度。我们的研究结果表明，游泳方向的重新定位在生物混合中起着重要的作用，并应考虑在设计潜在的活性物质设备能够有效的流体混合在微尺度。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
No many-scallop theorem: Collective locomotion of reciprocal swimmers
为了在低雷诺数下获得推进力，游泳者必须以一种在时间反演对称下不恒定的方式变形;这个结果被称为扇贝定理。我们在这里表明，没有多扇贝定理。我们证明，两个活性粒子进行相互变形可以游泳集体，此外，极性粒子也经历有效的长程相互作用。这些结果来自一个最小的二聚体模型，并推广到更复杂的几何形状的对称性和缩放参数的基础上。我们解释了如何合作运动可以实现实验通过摇动一个均匀的外场收集软粒子。
2008-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Chemotaxis and auto-chemotaxis of self-propelling artificial droplet swimmers
趋化性和自趋化性在许多重要的生物学过程中起着重要的作用。我们提出了一个自我推进的人工游泳系统，表现出趋化性以及负自趋化性。表面活性剂水溶液中的油滴由油相的胶束增溶引起的界面Marangoni流驱动。我们证明了沿着胶束表面活性剂梯度的趋化性可以引导这些游泳者通过微流体迷宫。类似地，空胶束在液滴游泳者的尾流中的耗尽导致负的自趋化性，从而避免拖尾。我们已经研究了自动趋化性定量在微流体装置的分叉通道：分支的选择连续游泳者是相关的，随着时间的推移，由于线索分散的效果衰减。我们已经模拟了这个过程，一个简单的一维扩散过程和随机Langevin动力学。我们的结果与线性表面活性剂梯度力和适合胶束扩散的扩散常数一致，并提供了自趋化反馈强度与随机力的测量。
2017-05-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Comparative Investigations on Active and Passive Tails of Undulating Swimmers
本研究通过流固耦合仿真对比了鲹形游泳者主动与被动俯仰尾鳍的水动力性能，发现在雷诺数500下被动尾鳍功率需求更优，5000下主动尾鳍全面领先，为仿生水下航行器确立了大小不同的设计原则。
2025-11-04 physics.flu-dyn
Active spheroids in viscosity gradients
本文研究粘度梯度中椭球形活性粒子的流体动力学，发现形状细长度减弱梯度影响并推导迁移率张量，为控制复杂流体中的游泳者提供新视角。
2023-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertia drives concentration-wave turbulence in swimmer suspensions
本文发现了一种由惯性、游动者运动性和浓度涨落相互作用驱动的不稳定性机制，该机制不依赖主动应力，通过数值模拟观察到浓度和取向的自持波从规则振荡过渡到波湍流，并分析了其统计特征。
2024-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
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
Lattice-Boltzmann Hydrodynamics of Anisotropic Active Matter
存在过多的活性物质模型来描述自推进粒子（或游泳者）的行为，包括有和没有流体动力学。然而，很少有研究考虑形状各向异性游泳者，包括流体动力学的相互作用。在这里，我们介绍了一个简单的方法来模拟自推进胶体相互作用的流体动力学在粘性介质中使用格子玻尔兹曼技术。我们的模型是基于树莓型粘性耦合和力/反力的形式主义，确保系统是免费的。我们考虑了几个各向异性的形状，并描述其流体动力学多极流场。我们证明，形状各向异性可以导致存在一个强大的四极和八极矩，除了主偶极矩。模拟和表征这些高阶矩的能力将被证明是理解模型游泳者在限制几何形状中的行为的关键。
2016-02-24 cond-mat.soft 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
Lattices of hydrodynamically interacting flapping swimmers
鱼群和鸟群表现出复杂的集体动力学，其自组织原理在很大程度上是未知的。流体动力学对这些集体的影响在理论上相对未被探索，部分原因是难以模拟许多动态体之间的时间上长寿命的流体动力学相互作用。我们通过一个新的离散时间动力系统（迭代映射）来解决这个问题，该系统描述了在一维和二维晶格结构中排列的扑翼游泳者之间的流体动力学相互作用。我们的一维结果与先前发表的实验数据表现出良好的一致性，特别是预测的双稳态的学校教育状态和新的不稳定性，可以在实验设置中进行探测。对于二维晶格，我们确定的形成，游泳者最佳受益于水动力相互作用。因此，我们得到以下层次结构：虽然并排的单排“方阵”的形成提供了一个小的改进，一个孤独的游泳者，一维的直线和二维矩形晶格的形成表现出显着的改善，与二维菱形晶格提供最大的流体动力学的好处。一般来说，我们的自洽建模框架可以广泛适用于主动系统，其中集体动力学主要由流体介导的记忆驱动。
2019-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Kolmogorovian active turbulence of a sparse assembly of interacting swimmers
活性物质由自推进的实体组成，形成了一类广泛的非平衡系统，这些系统显示出惊人的集体行为，其中所谓的活性湍流是在各种{活性系统}中自发产生的空间和时间无序流动模式。事实上，活跃湍流的命名暗示了与第二类开创性的非平衡系统的联系，即流体湍流，但其性质非常不同，能量注入是在全球系统尺度上，而不是在单个成分的基本尺度上。实际上，在活动湍流和规范湍流之间是否存在可能的强联系，仍然是一个悬而未决的问题，也是一个需要大量研究的领域。使用自推进的界面粒子的组装，我们实验表明，这个活跃的系统与典型的流体湍流，如著名的1941年Kolmogorov现象学所描述的，具有显着的定量相似性。将活性物质纳入流体湍流普适类不仅有利于其未来的发展，而且可能为经典物理学中最大的谜团之一湍流的长期描述提供新的见解。
2019-11-13 physics.flu-dyn
Enhanced active swimming in viscoelastic fluids
游动微生物通常在具有复杂流变性的流体中自推进。虽然过去的理论研究表明，流体的粘弹性应该会阻碍它们的运动，但最近对挥动游泳者的实验表明，运动可能会增强非牛顿运动。我们提出了一个物理机制，基于流体-结构相互作用，导致在粘弹性流体中以比牛顿流体更高的速度游泳。使用泰勒的二维游泳片模型，我们解决了作为外部流体应力，内部驱动力矩和被动弹性阻力之间的平衡的主动游泳者的形状。我们表明，这种动态平衡导致一个通用的过渡，从受阻刚性游泳增强灵活的运动。结果被物理解释为由于粘弹性吸力增加游泳振幅在非牛顿流体和克服粘弹性阻尼。
2014-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Modal analysis and optimization of swimming active filaments
本文将活性柔性纤丝的游动表述为数学优化问题，证明利用少量本征模态可准确描述并优化其运动，显著降低计算复杂度，并揭示了单相驱动力纤丝运动由四个本征模态控制且仅两个独立。
2025-09-25 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Re-entrant bimodality in spheroidal chiral swimmers in shear flow
我们使用一个连续介质模型报告的行为的稀释悬浮液的手征游泳受到外部施加的剪切平面通道。游泳者的取向，在施加的剪切响应的特点是两个不同的阶段的行为，对应于单峰或双峰分布函数的游泳者取向沿通道。这些阶段表明发生（或不发生）的人口分裂现象改变的宏观部分的活性颗粒的游动方向的确切相反的规定所施加的流量。我们提出了一个详细的定量分析阐明的复杂性添加到人口分裂行为的游泳者，当他们是手性的。特别是，从单峰到双峰的过渡，反之亦然，显示通过改变手性角速度跨越参数空间的再入行为。我们还提出了显着的颗粒纵横比和自推进速度对系统相行为的影响，并讨论了我们的研究结果在应用中，如游泳者分离/分选的潜在影响。
2018-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Particle-resolved lattice Boltzmann simulations of 3-dimensional active turbulence
悬浮液中的微型游泳者的集体行为往往是由长期的流体动力学相互作用的影响。这些现象包括主动湍流，其中足够密度的推进细菌悬浮液表现出大规模的混沌流动。为了研究这种集体现象，我们使用大规模（高达$N=3\times 10^6$）的粒子分辨晶格玻尔兹曼模拟模型microsomymer描述的扩展应力。这样的系统尺寸使我们能够获得定量信息的过渡到活跃的湍流和湍流状态本身的特征。在稀释极限，我们测试分析预测的静态和动态特性对我们的模拟结果。对于较高的游泳者密度，游泳者-游泳者的相互作用变得显着，我们数值计算表明，湍流的长度和时间尺度急剧增加附近的预测有限系统的过渡密度。
2019-08-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
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
Artificial chemotaxis of phoretic swimmers: Instantaneous and long-time behaviour
泳动粒子是近年来受到广泛关注的一类人工活性粒子。通过利用自生的梯度（例如，温度、电势或某些化学产品），泳动游泳者能够自我推进，而没有移动身体部分或受控外部场的复杂性。专注于扩散电泳，我们在本文中量化的机制，通过该泳动颗粒可以实现趋化性，无论是在个人和非相互作用的人口水平。首先，我们推导出一个充分的分析法的瞬时推进和定向的泳泳者与一般的轴对称表面的属性，在零Péclet数和小Damköhler数的限制。然后，我们将我们的研究结果的情况下，Janus球，最常见的设计之一，用于实验研究的泳者。接下来，我们提出了一种新的应用广义泰勒色散理论，以证明非相互作用的泳动者的人口的长期行为。我们比较我们的理论结果与数值模拟的平均漂移和各向异性扩散的泳动游泳在化学梯度。我们的研究结果将有助于通知泳泳者在未来的实验应用的设计。
2018-09-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Electrotaxis of self-propelling artificial swimmers in microchannels
本文研究活性液滴在微通道中的趋电行为，结合实验与流体动力学模型揭示电场、电泳及壁面作用如何诱导U形转弯和逆流轨迹转变。
2024-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stochastic dynamics of dissolving active particles
近年来，人工微游泳者的设计产生了重大的研究兴趣，在纳米马达和靶向药物输送等应用中有希望。然而，许多当前的设计遭受一个共同的问题，即游泳者无限期地保持在流体中，造成堵塞和损坏的风险。受最近提出的实验设计的启发，我们在数学上研究了可降解活性颗粒的动力学。我们开发和比较两种不同的化学模型的游泳运动员的衰变，考虑到其表面的化学或酶反应的材料组成和性质。其中包括一个模型的溶解没有反应，以及模型的反应游泳者研究的限制，大和小Damköhler数。一个新的无量纲参数出现，允许分类的胶体弹道和扩散型。使用这个参数，我们进行了渐近分析，推导出胶体的寿命和他们的总均方位移释放和验证这些相关的朗之万动力学的数值蒙特卡罗模拟的表达式。一般的缩放关系的支持下，我们的理论结果提供了新的见解的实验适用性范围广泛的设计可降解的活性胶体。
2020-02-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Minimum Entropy Production by Microswimmers with Internal Dissipation
本文推导了包含外部与内部耗散的微型游泳者总耗散精确下界定理，并据此确定定体积下最小化耗散的最优形状，揭示主动游泳者与外驱粒子具有不同的熵产生基本极限。
2023-06-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamics of an odd active surfer in a chiral fluid
本研究探讨线性活性微型游泳者在具有奇数粘度的可压缩薄流体层上的低雷诺数流体动力学，发现单个游泳者沿圆形路径运动且半径与奇数粘度成反比，而游泳者对则展现出依赖推进机制和初始取向的丰富两体动力学。
2023-07-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics and efficiency of a self-propelled, diffusiophoretic swimmer
主动扩散电泳-通过与自生的中性溶质梯度的相互作用游泳-是微米尺度下自主运动的范例。我们在线性响应理论中研究这种推进机制。首先，我们考虑几个方面有关的游泳粒子的动力学。我们扩展建立的分析公式来描述小的游泳者，与他们的环境在一个有限的长度尺度。溶质对流也被考虑在内。化学反应的建模揭示了游泳者和浓度场的反应性的角分布之间的耦合。这种效应，我们称之为“反应诱导浓度畸变”，强烈地影响粒子的速度。基于这些见解，我们采用不可逆的线性热力学来制定能量平衡。这种方法突出了溶质对流的能量一致的治疗的重要性。游泳的效率进行了数值计算和近似解析。最后，我们定义了一个效率的运输的游泳运动在随机方向。它示出，这种效率的规模作为宏观距离的倒数的运输发生。
2011-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mixing and unmixing induced by active camphor particles
在这项实验研究中，我们报告的混合性能的界面胶体浮子（玻璃泡）的化学和流体动力学电流所产生的自推进樟脑磁盘游泳在空气-水界面。尽管玻璃泡分布达到统计学上的稳定状态，但这些漂浮物总是保持仅部分混合。这种中间状态的结果之间的竞争（i）混合诱导的无序运动的许多樟脑游泳者和（ii）unmixed促进的化学云连接到每个单独的自推进盘。混合/不混合的特点是全球使用的浓度和光谱的标准偏差，但也更局部的平均浓度场周围的游泳者。除了分层过程，该系统开发了一个“类似的”浓度谱，与大尺度区域，惯性制度和Batchelor区域。我们发现，不混合是由于周围的樟脑游泳者的马兰戈尼流，并与可压缩效应。
2021-01-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Population splitting of rodlike swimmers in Couette flow
我们提出了一个定量分析的响应的稀释主动悬浮液的自推进杆（游泳者）在一个平面通道受到施加剪切流。为了更好地捕捉剪切诱导效应的显著特征，我们考虑了施加Couette流的情况，提供恒定的剪切速率穿过通道。我们认为，游泳者的稳态行为可以理解的人口分裂现象的光，发生的剪切速率超过一定的阈值，启动逆转的游泳方向为一个有限的部分游泳者从下到上游或反之亦然，这取决于游泳者的位置内的通道。因此，游泳者分为两个不同的，统计上显着和相反的游泳多数和少数群体。人口分裂的发病转化为一个过渡，从自推进为主的制度，以剪切为主的制度，对应于单峰到双峰的概率分布函数的游泳方向的变化。我们提出了一个相图中的游泳和流动Peclet数显示这两个政权的分离由一个不连续的过渡线。我们的研究结果揭示了进一步的行为，在剪切流中的游泳者，并提供了一个解释以前报道的非单调行为的平均，近壁，平行于流动方向的游泳者增加剪切强度。
2017-05-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Noise-induced aggregation of swimmers in the Kolmogorov flow
我们研究了一个模型的动态椭球microswimmer在一个外部施加的，层流Kolmogorov流。通过相空间分析的动力学无噪声，我们发现，游泳运动员喜欢横流或旋转漂移，这取决于他们的游泳速度和长宽比。当包括噪声时，即旋转扩散，我们发现游泳者被驱动到相空间的某些部分，导致非均匀的稳态分布。这种分布表现出从游泳者聚集在低剪切区域的流动聚集在高剪切区域的游泳者的速度，纵横比，和旋转扩散率的变化。为了解释游泳者的非均匀相空间分布，我们采用弱噪声平均原理，产生减少描述的随机游泳者动态。使用这种技术，我们发现，某些游泳者的轨迹是更有利的比别人在弱旋转扩散的存在。通过将这些信息与游泳者沿着每个轨迹的相空间速度相结合，我们预测了游泳者倾向于积累的相空间区域。平均技术的结果是在良好的协议与直接计算的稳态分布的游泳者。特别是，我们的分析解释了从低剪切到高剪切聚集的过渡。
2021-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Orientational dynamics and rheology of active suspensions in weakly viscoelastic flows
本文研究弱粘弹性剪切流中微型游泳者悬浮液的取向动力学与流变学，发现活性粘弹性应力改变 Jeffery 轨道，pusher 型游泳者可抵抗旋转，且活性与弹性响应显著放大游泳者诱导粘度，使超流态在更低体积分数下出现。
2023-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shape matters: A Brownian microswimmer in a channel
研究了二维固定速度的微型游泳体的主动布朗粒子（ABP）模型，其游泳方向按布朗过程变化。游泳者的概率密度根据在配置空间上定义的Fokker-Planck方程演化，其结构取决于游泳者的形状、旋转中心和游泳域。我们在位形空间的边界处强制零概率通量。我们推导出一个减少方程的游泳者在一个无限的通道中，在小的旋转扩散率的限制，并发现不变的密度强烈依赖于游泳者的精确形状和旋转中心。我们还给出了一个公式的平均逆转时间：预期的时间为一个游泳者完全扭转方向的渠道。利用均匀化理论，我们找到了一个有效的纵向扩散率的游泳者在通道中的表达，并表明，它是有界的平均逆转时间。
2020-06-13 cond-mat.soft 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
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
Dynamics of a droplet driven by an internal active device
浸入牛顿流体中的液滴可以仅由内部流动推动。在一个简单的模型中，这种流动是由一组点力产生的，这些点力代表外部驱动的设备或模型自主游泳者。我们工作的一般框架来计算液滴的自推进力的驱动力和它们在液滴内的位置的函数。具有一般取向和位置r_0的单点力F引起液滴的平移和旋转运动。我们证明了平移迁移率是各向异性的，旋转迁移率可以是非单调的，|r_0|取决于粘度对比度。由于斯托克斯方程的线性，叠加可以用来讨论更复杂的点力阵列。我们分析力偶极子，如应力波，一个简单的模型，一个biflagellate游泳者和rotlet，代表一个螺旋游泳者，由外部磁场驱动。对于一个一般的力分布与任意高的多极矩的液滴的推进性能只取决于几个低阶多极：四极平移和旋转运动的特殊八极。针对几个示例性情况讨论了液滴和装置的耦合运动。我们特别表明，一个双鞭毛游泳者，建模为stresslet，实现了稳定的共动状态，其中该设备相对于液滴的位置保持固定。事实上，有两个固定点，相对于液滴的中心对称。一个微小的外力选择其中一个，并允许在向前和向后运动之间切换。
2020-04-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Irreversibility in scalar active turbulence: The role of topological defects
University of Luxembourg（卢森堡大学）
研究揭示了标量主动湍流中拓扑缺陷通过主动应力奇异性导致动态不可逆性，通过分析游动体密度和流函数耦合动力学，确定了缺陷对配置对不可逆性的作用。
2026-03-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Dynamics of a simple model microswimmer in an anisotropic fluid: implications for alignment behavior and active transport in a nematic liquid crystal
最近的几个实验研究了自驱动细菌和胶体粒子在液晶中的取向和传输行为。相应地，我们从理论上研究了单轴各向异性流体中极小模型微游泳者的动力学行为。作为第一步，流体动力学格林函数提供响应于作用在各向异性流体上的局部力的所得到的流体流动解析地导出。在此基础上，分析了拉式和推式微泳子在各向异性流体中的行为。根据推进机制和不同的粘度的相对大小，我们发现对齐的游泳者平行或垂直于各向异性轴。特别地，在某些情况下也识别倾斜对准。所观察到的游泳者重新取向的结果之间的流体动力学耦合的自诱导流体流动和周围流体的各向异性，这扭曲了自生流场。我们支持我们的结果的一个简化的线性稳定性分析。我们的理论预测是在定性协议与最近的实验观察游泳细菌在液晶。它们支持利用宿主流体的可能可切换的各向异性来引导个体微泳者和活性颗粒沿着所要求的路径的目标，从而实现受控的主动运输。
2018-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Enhanced locomotion, effective diffusion, and trapping of undulatory micro-swimmers in heterogeneous environments
游泳细胞和微生物必须经常在复杂的流体中移动，这些流体包含浸没的微观结构，如聚合物分子或细丝。在许多重要的生物过程中，如哺乳动物繁殖和细菌感染，浸没的微结构的大小与游泳细胞的大小相当。这导致离散的游泳者微结构的相互作用，改变游泳者的路径和速度。在本文中，我们使用详细的模拟和数据驱动的随机模型相结合，以检查运动的平面波动游泳者在球形障碍物的环境中，通过线性弹簧拴在运动平面中的随机点的运动。我们发现，根据环境参数，与障碍物的相互作用既可以提高游泳速度，也可以阻止游泳者移动。我们还展示了离散的相互作用如何产生平移和角速度波动，随着时间的推移，导致扩散行为主要是由于游泳和旋转扩散的耦合。我们的研究结果表明，直接的游泳者微结构的相互作用可以产生游泳者运动的变化，可能有重要的影响，细胞群的传播，或捕获有害病原体的复杂流体。
2018-08-03 physics.flu-dyn
Burst-and-coast swimmers optimize gait by adapting unique intrinsic cycle
本文通过对鱼类以不同速度游动的爆发-海岸运动的研究，探讨了鱼类间歇游动的物理机制。爆发和海岸制度包括一个周期与两个连续的阶段：一个阶段的积极波动动力的鱼肌肉其次是被动滑翔阶段。观察真正的鱼的游泳步态被迫在水槽从低到高的速度制度，使用的鱼的运动学和力学的完整描述。我们首先表明，鱼调制一个独特的内在周期，以维持所需的速度，通过修改的爆发，以滑行的比例，同时保持周期的持续时间不变。其次，我们使用数值模拟表明，所选择的运动学对应于优化的步态范围内的游泳速度测试。
2020-02-21 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Two-way coupling in active suspensions suppresses particle accumulation and induces non-monotonic flow stabilization
研究厘米级活跃游动者与电磁驱动准二维细胞流的双向耦合，通过拉格朗日诊断表征耦合动力学。发现游动者负载和背景强迫变化时，耦合作用不同，双向耦合能抑制颗粒聚集并使流动稳定呈现非单调性。
2026-08-12 physics.flu-dyn
A kinetic approach to active rod dynamics in confined domains
由许多自推进（主动）游泳者组成的活性物质在外加流中的研究对于许多应用是重要的。自推进游泳者可能代表生物和人造的，如细菌和化学驱动的双金属纳米颗粒。在这项工作中，我们专注于动力学描述的活性物质表示的自推进杆游泳的粘性流体限制的墙壁。众所周知，与无界或周期性容器相比，壁可以显著地影响活动棒的轨迹。在这些效应中，有在壁上的积聚和逆流运动（也称为负趋流性）。我们的第一个主要结果是严格推导了在惯性为零的极限下主动杆的概率分布函数的边界条件。找到这样一个极限是很重要的，因为（i）在许多活性物质的例子中，惯性是可以忽略不计的，因为游泳发生在低雷诺数区域，（ii）这个极限允许我们减少动力学描述的维度，从而减少计算的复杂性。对于所得到的模型，我们推导出系统的平移扩散消失的限制，这也是典型的活性粒子可以忽略不计。该系统允许分别跟踪积聚在壁处的活性颗粒和在流体主体中游动的活性颗粒。
2019-03-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Active Cloaking in Stokes Flows via Reinforcement Learning
在斯托克斯政权的流体动力学签名，有关的运动的微型游泳者，具有长程性质。这意味着，在这种粘度占主导地位的制度中，物体的运动可以在数十个身体长度之外感受到，并显着改变周围环境的动态。在这里，我们设计了一个系统的方法，积极地斗篷游泳物体内的任何任意拥挤的悬浮液的微型游泳者。具体来说，我们的方法是隐藏的目标游泳者在其整个运动中使用合作群的游泳代理配备自适应决策智能。通过强化学习算法，隐形代理经验学习最佳的自适应行为策略存在的流介导的相互作用。这种人工智能使它们能够动态地调整它们的游动动作，从而在不干扰运动目标的情况下，最优地形成并鲁棒地保持运动目标周围的任意期望布局，因此，所提出的主动隐身方法不仅对干扰具有鲁棒性，而且对隐身目标的运动具有非侵入性。然后，我们进一步推广所提出的方法，并演示了我们的隐形代理可以很容易地使用，在任何感兴趣的区域，实现流体动力学隐形斗篷周围的任意数量的入侵者。
2020-07-22 physics.flu-dyn
Novel turbulence and coarsening arrest in active-scalar fluids
本研究在活性CHNS模型中发现收缩型微泳者可诱导新型均匀各向同性湍流，该湍流能阻滞相分离使粗化长度饱和，且高雷诺数下存在能量逆级联的惯性区。
2024-02-01 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Shear induced migration of microswimmers in pressure-driven channel flow
我们研究了剪切诱导迁移的microswimmer（主要是，活跃的布朗粒子或ABP的）在一个平面Poiffille流。对于由$U_b/HD_r \ll 1$表征的宽通道，表征游泳者定向动力学的时间尺度之间的分离（O（$D^{-1}_r$）的）和那些表征跨通道迁移的（O（$H^{2}D_r/U^{2}_b$））的方程，允许使用多尺度方法来导出游泳者浓度分布的漂移扩散方程;这里，$U_b$是游泳速度，$H$是通道半宽，$D_r$是游泳者旋转扩散率。稳态浓度分布是佩克莱数、$Pe = U_{f}/(D_r H)$（$U_f$是通道中心线速度）和游泳者纵横比$κ$的函数。在$1 \ll \textit{Pe} \ll κ^3$（$Pe\sim$ O（1））状态下，具有$ κ\gg 1$（具有$ κ\sim$ O（1））的游泳者向通道壁迁移，对应于高剪切捕获行为。然而，对于$Pe \gg κ^3 $（对于$κ\sim$ O（1）为$Pe \gg $ 1），游泳者向中心线迁移，对应于低剪切捕获行为。有趣的是，在低剪切捕获制度，游泳者与$κ< 2$渐近线的$Pe$独立的浓度分布的大$Pe$，而那些与$κ\geq 2$表现出“中心线崩溃”的$Pe \to \infty$。通过朗之万模拟验证的低剪切捕获的预测是最近实验观察的第一个解释[Barry $\textit{et al}$。（2015）]。我们…
2019-06-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
How inertial lift affects the dynamics of a microswimmer in Poiseuille flow
我们分析了在压力驱动的Poiffille流，流体惯性很小，但不可忽略的动力学的microswimmer。使用微扰理论和互易定理，我们表明，除了经典的惯性升力的被动粒子，主动性质产生一个“游泳升力”，我们评估中性和推/拉型游泳者。考虑到流体惯性，产生了丰富的新的复杂动力学谱，包括翻滚状态，其中翻滚与稳定的中心线游泳或摆动共存。动态是敏感的游泳者的流体动力学签名，远远超出了在消失的流体惯性的结果。我们的工作将有非平凡的影响，在微通道中的主动悬浮液的运输和分散。
2021-09-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steering undulatory micro-swimmers in a fluid flow through reinforcement learning
这项工作的目的是寻找最佳的导航策略薄，可变形的microswimmer，在粘性流体中传播的正弦波动沿其细长的身体。这些活跃的细丝被嵌入在一个规定的，非均匀的流动，其中他们的游泳波动必须与漂移，应变和变形所造成的外部速度场竞争。游泳和导航紧密结合的这种复杂情况可以使用各种强化学习方法来解决。每个游泳者只能访问关于其配置的受限信息，并且必须相应地在有限集合中选择动作。然后，优化问题在于找到在给定方向上导致最有效位移的策略。据发现，通常的方法不收敛，这个陷阱被解释为一个综合的结果的非马尔可夫的决策过程中，连同高度混乱的性质的动态，这是负责学习效率的高变异性。尽管如此，我们还是提供了一种构建有效策略的替代方法，该方法基于运行几个独立的Q学习实现。这使得一组可接受的政策，其属性可以详细研究和比较，以评估其效率和鲁棒性的建设。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertial Effects on the Stress Generation of Active Fluids
悬浮的自推进机构产生一个独特的机械应力，由于他们的运动，影响他们的大规模集体行为。微泳者悬浮在流体中的粒子惯性可以忽略不计，我们已经表明，维里的“游泳应力”是一个有用的量来理解的流变学和非平衡行为的活性软物质系统。对于像鱼类这样的大型自走生物，目前还不清楚颗粒惯性如何影响它们的压力产生和集体运动。在这里，我们分析了有限的粒子惯性对机械压力（或应力）所产生的悬浮液的自推进机构的影响。我们发现，所有规模的游泳运动员产生一个独特的“游泳压力”和“雷诺应力”，影响他们的集体运动。我们发现，粒子惯性起着类似的作用，限制在过阻尼主动布朗系统，减少游泳者的运行长度减少游泳应力，影响相行为。尽管游动应力和雷诺应力随粒子惯性的大小而单独变化，但两者的贡献之和与粒子惯性无关。这指出了在非平衡系统的计算机模拟中计算应力时的一个重要概念--雷诺应力和维里应力都必须计算以获得系统产生的总应力。
2017-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microswimmers create bicontinuous emulsions in binary fluids
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；EMBL Barcelona（欧洲分子生物学实验室巴塞罗那分部）；Barcelona Collaboratorium for Modelling and Predictive Biology（巴塞罗那建模与预测生物合作组织）；Univ. Bordeaux（波尔多大学）
通过流体动力学模拟，发现中性润湿的微游泳者通过源偶极（自推进）和力偶极（主动混合）的双重机制，将相分离的二元流体自发乳化为动态双连续泡沫状结构。
2026-06-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The interplay between bulk flow and boundary conditions on the distribution of micro-swimmers in channel flow
本研究揭示了通道流中体相流动与连续介质模型边界条件间的相互作用，通过对比个体随机模型与连续介质模型，发现边界条件、旋转扩散与游泳者形状共同决定其在壁面的取向分布与积累行为。
2023-06-25 physics.flu-dyn
Brownian dynamics of a microswimmer
本文研究了一个由三个球体组成的微型游泳器的动力学特性，该微型游泳器在零净扭矩约束下通过球体的旋转运动在粘性流体中推进。在固定的温度和增加旋转频率，游泳者表现出从耗散为主的过渡到泵为主的运动制度，其特征在于负的有效摩擦系数。在高频率范围内，游泳者的扩散可以用一个具有恒定速度的活动粒子模型来描述。
2007-09-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rapidly yawing spheroids in viscous shear flow: Emergent loss of symmetry
本研究探究快速偏航椭球形泳动体与粘性剪切流的三维动力学，发现快速偏航产生非轴对称等效效应致混沌行为，通过多尺度分析推导并验证其等效粒子特性，揭示与快速旋转椭球体的动力学差异。
2024-12-27 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
Active gyrotactic stability of microswimmers using hydromechanical signals
许多浮游生物物种每天都在湍流海洋中垂直迁移到很深的地方。为了有效地做到这一点，浮游生物可以使用一种回转运动机制，使它们与重力保持一致，向下游，或逆着重力向上游。许多物种显示出旋合稳定性的被动机制。例如，底部重的浮游生物倾向于向上排列。这对于静止流中的向上迁移是有效的，但它通常对扰乱对齐的湍流敏感。在这里，我们提出了一个简单的，强大的主动机制的回旋稳定性，这是只有轻微的湍流的影响，并允许沿和逆重力对齐。我们使用的浮游生物，以恒定的速度游泳，并能积极引导响应水动力信号中遇到的模拟湍流的模型。使用强化学习，我们确定最佳转向策略。通过使用刚毛来感知与其游泳方向垂直的沉降速度，游泳者可以推断出有关重力方向的信息，从而使其能够主动向上对齐。该机制导致湍流中向上迁移的速率与静止流中相同，除非湍流非常剧烈。相反，具有桡足类典型参数的被动游泳者在湍流中的上升速度要小得多。沉降甚至可能导致它们在剧烈的湍流中向下迁移。
2021-12-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
