Patterns, transitions and the role of leaders in the collective dynamics of a simple robotic flock
我们已经开发了一个非常简单的自走式机器人的实验装置，观察集体运动出现的结果，非弹性碰撞。一个圆形的游泳池和商业RC船是我们第一次设置的基础，在那里我们证明了干扰，集群，无序和有序的运动都存在于这样一个简单的实验中，并表明噪声水平在集体动力学的产生中起着根本性的作用。临界噪声范围和不同的集体模式之间的过渡特性进行了研究。在我们的第二个实验中，我们使用了一个实时跟踪系统和一些可操纵的模型船，将智能领导者引入羊群。我们证明，即使是很小的一部分，引导成员可以确定集团的方向，并通过非弹性碰撞增强有序。我们还表明，噪音可以促进和加快与领导者的订购。我们的工作也通过基于代理的仿真模型进行了扩展，并且观察到真实结果和仿真结果之间具有高度相似性。仿真结果表明，三种状态的统计证据和密度之间的负相关性和有序运动由于干扰的开始。我们的实验证实了不同的理论研究和模拟结果在文献中的碰撞为基础的，噪声相关的和领导人驱动的自推进粒子系统。
2012-02-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Maximal response to a mechanical leader at critical group size in ant collectives
本研究通过机器人系统模拟短暂领导者对长角狂蚁施加力，首次提供直接实验证据，证明蚂蚁群体在临界规模下对外部刺激的集体响应达到最大放大效果。
2025-06-01 physics.bio-ph
Self-Propelled Rods: Insights and Perspectives for Active Matter
广泛的实验系统，包括滑行，群集和游泳的细菌，体外运动性测定以及摇动颗粒介质通常被描述为自推进杆。这些实体的大量集合显示了各种各样的自组织集体现象，包括移动的极团、极和极动力带、迁移率引起的相分离、拓扑缺陷和中尺度湍流等的形成。在这里，我们给出了一个简短的调查的实验观察和审查的理论描述自推进杆。我们的重点是紧急斑图形成的合奏干自走棒受短程，接触介导的相互作用和他们的湿同行，也受到远程流体动力学流。总而言之，自推进棒提供了一个总体主题，涵盖了活性物质的许多方面，包含充分探索的限制情况。它们的集体行为不仅连接了已充分研究的极性自推进粒子和活性向列相分子的机制，包括活性相分离，而且还揭示了丰富多样的新模式。
2019-11-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Density fluctuations and border forces direct leader cell plasticity during collective epithelial migrations
上皮细胞单层通过在单层边界形成由前导细胞产生的指状突起而在基底上扩张。凝聚集体中个体之间的信息传递和交流导致长程序、涡旋结构和无序到有序的相变。我们提出以下问题：什么是领导者？追随者在领导细胞形成中的作用是什么？我们使用基于粒子的模型来模拟上皮细胞在9.4 kPa、21 kPa和33 kPa硬度的基底上的迁移。系综中细胞运动的动力学由取向Vicsek和相邻粒子之间的细胞间相互作用决定。该模型还包括弯曲，曲率为基础的运动，和肌动蛋白收缩电缆的轮廓上的力量，除了密度依赖性噪声和细胞增殖。我们发现，边界部队是必不可少的领导细胞的形成和基板上的上皮单层的整体面积扩张。单层的径向速度和面积扩张同意不同刚度的基板上的上皮细胞的实验报告。在单层的特定区域内的追随者细胞中的排序在较高刚度的基底上是明显的，并且在领导细胞出现之前发生。我们表明，细胞密度增加的区域发生在所有三种基板上的领导细胞边缘的后面。最后，我们评估的作用，细胞分裂的速度在单层的顺序。这些结果表明，单层异质性，在内部区域的密度不稳定性所造成的，与上皮细胞迁移过程中的领导细胞的形成。
2021-09-03 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
Collective Motion
为了理解集体运动的出现，从当地的相互作用的有机体在一个“嘈杂”的环境中，我们研究生物学的启发，固有的非平衡模型组成的自推进粒子。在这些模型中，粒子通过转向局部平均运动方向与它们的邻居相互作用。在速度为零的极限下，这种行为导致类似于平衡铁磁体的某些蒙特卡罗实现的动力学。然而，数值模拟表明，存在新类型的相变，这是不存在于相应的铁磁体。特别是，在这里，我们证明了数值和分析，即使在某些一维自推进粒子系统的有序相存在有限的噪声水平。
1999-02-09 physics.bio-ph q-bio
Individual particle persistence antagonizes global ordering in populations of nematically-aligning self-propelled particles
本文以黄色粘球菌为灵感，研究个体迁移持续性与粒子间相互作用对集体迁移的联合影响，发现高持续性会在向列对齐较强时拮抗全局有序，揭示群体行为受个体内在行为与相互作用共同调控。
2025-02-10 cond-mat.stat-mech nlin.CG nlin.PS
Breakdown of Boltzmann-type Models for the Alignment of Self-propelled Rods
本研究针对自驱动杆对齐的玻尔兹曼型动力学模型，通过与基于智能体的微观模型对比，发现因杆簇形成违反统计独立性导致模型失效，引入噪声仅能部分改善一致性，凸显了开发改进矩封闭方法的必要性。
2024-02-02 physics.bio-ph
Boundary-Mediated Phases of Self-Propelled Kuramoto Particles
INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；Department of Physics and Astronomy, University of Padova（帕多瓦大学物理与天文学系）
研究边界条件对自推进Kuramoto粒子集体行为的影响，揭示驱动机制如何导致不同聚集态。
2026-03-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Scale-free behavioral cascades and effective leadership in schooling fish
行为传染和行为级联的存在是集体运动的动物群体的自然特征，如鱼群或食草动物。在这里，我们研究经验的行为级联观察到的鱼群定义为雪崩的连续大的变化，鱼的轨迹的航向方向。就定义大变化的最小转向角度而言，雪崩的特征是大小和持续时间的分布显示无标度特征，让人想起自组织的临界行为。我们观察到，雪崩一般是由少数鱼，这是有效的领导人，诱导大的重组组的轨迹。这一观察激发了一个简单的模型的建议，在经典的Vicsek集体运动模型的基础上，其中一个给定的个人作为一个领导者受到随机航向重定向。该模型在定性上再现了在真实学校中观察到的经验雪崩行为，并暗示了有效领导与集体运动中雪崩行为之间的联系。
2022-10-13 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Local disalignment can promote coherent collective motion through rapid information transfer
当粒子以恒定的速度移动并倾向于调整它们的运动方向时，尽管有显著的噪声水平，有序的大规模运动也会出现。人们研究了这种自推进粒子模型的许多变体，以解释鸟类、鱼类或微生物群体的连贯运动。在这里，我们推广的自推进粒子的经典模型的精确对齐碰撞规则的情况下，粒子碰撞后，往往会在稍微不同的方向远离对方，其特征在于碰撞角$α$。我们绘制出由此产生的相图，并发现，在足够密集的系统中，小的错位可以导致更高的粒子运动方向的全局对齐。我们发现，在这个密集的制度，全球对齐是伴随着一个网格状的空间结构，使信息迅速渗透到系统的“多米诺骨牌”效应。我们的研究结果阐明了相关的失调出现的集体运动的模型与排斥相互作用条款。
2012-12-10 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Modeling collective behaviors from optic flow and retinal cues
本文提出基于光流等生物视觉线索的集体行为模型，无需全知邻居信息，成功再现集群、群游和环形运动，为人工群体视觉控制提供方案。
2024-03-18 physics.bio-ph
Self-Organized Vortices of Circling Self-Propelled Particles and Curved Active Flagella
当自推进点状粒子的平移速度和与其取向矢量相关的角速度都为常数时，粒子沿圆形轨道运动。我们研究的集体行为的合奏这样的圆游泳布朗动力学模拟。如果粒子通过相邻粒子之间的“速度-轨迹协调”规则相互作用，则会出现自组织的漩涡图案。该涡旋模式的特征在于其粒子密度关联函数$G_ρ$、轨迹中心的密度关联函数$G_c$和表示粒子聚集程度的序参量$S$。在这里，我们系统地改变系统的参数，如粒子密度和相互作用的范围，以揭示系统的过渡，从轻涡为主的重涡为主的状态，其中涡主要包含一个单一的和许多自推进的粒子，分别。我们还研究了弯曲，正弦跳动鞭毛的半稀溶液，作为一个例子，循环自推进粒子明确的推进机制和排除体积的相互作用。我们的模拟结果与以前的实验结果进行了比较，海胆精子溶液附近的墙壁。模拟和实验中的涡旋特性在数量上是一致的。
2014-02-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Singular perturbation analysis of a reduced model for collective motion: A renormalization group approach
在一个有噪声的自推进粒子系统中，如果粒子的密度超过临界密度，则会出现集体运动。从集体运动的简化模型开始，我们确定临界密度如何依赖于初始扰动的形式。具体而言，我们采用重整化群改进的微扰方法来分析模型方程，并显示解析，高达一阶的扰动参数，如何修改的临界密度的强度的初始角扰动系统。
2011-02-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active screws: Emergent active chiral nematics of spinning self-propelled rods
Institute for Theoretical Physics, Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学理论物理研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学凝聚态物理系）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚高级研究学院）
研究通过主动螺旋体的旋转运动，揭示了集体手性流动的形成机制，对社会细菌群体和单细胞寄生虫群体行为有重要意义。
2026-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Body size affects the strength of social interactions and spatial organisation of a schooling fish (Pseudomugil signifer)
虽然有各种各样的自推进粒子模型可以解释鱼类和其他动物的集体运动，但模型和数据之间的严格统计比较仍然是一个挑战。合理的模型应该足够灵活，以捕捉动物群体在不同发育阶段和群体规模下的集体行为变化。在这里，我们分析的统计特性的学校的鱼（Pseudomugil signier）通过实验和模拟相结合。我们使用一种新颖的玻尔兹曼反演方法，通常应用于分子动力学，以确定有效的潜在的平均力的鱼的相互作用。具体来说，我们表明，较大的鱼有一个较大的排斥区，但更强的吸引力，从而在更大的对齐在他们的集体运动。我们使用自推进粒子模型来模拟学校的集体动力学，修改后的模型包括不同的粒子速度和局部排斥规则。我们证明，我们的模型复制的鱼群的统计特性，从而捕捉到一些功能的行为和发展的学校鱼。
2017-04-19 physics.bio-ph q-bio.QM
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
Tricritical points in a Vicsek model of self-propelled particles with bounded confidence
我们研究了具有选择性相互作用的自推进粒子系统中的取向有序。为了引入选择性，我们用有界置信度碰撞规则来增强标准Vicsek模型：给定的粒子只与方向与自己非常相似的邻居对齐。方向偏离大于固定限制角度$α$的邻域将被忽略。该系统的集体动力学研究基于代理的模拟和动力学平均场论。我们表明，限制角的减少导致一个临界噪声幅度单调下降的角度，变成一个幂律指数为3/2的小角度。此外，对于小的系统尺寸，我们表明，在减少的限制角，极性集体运动的过渡从连续到不连续的变化。因此，一个明显的三临界点的识别和计算分析。我们还发现，在非常小的相互作用角的极性有序相变得不稳定的非极性相。我们表明，平均场动力学理论允许固定的电子态低于限制角$0.681 π$。我们计算了无序态分叉到非有序态的临界噪声，发现它总是小于从无序态到极序态转变的阈值噪声。无序-无序转变具有两个三临界点：在低和高限制角下，转变是不连续的，但在中间$α$处是连续的。我们将我们的结果推广到系统，显示成两个以上的群体分裂，并获得的过渡线和相应的三临界点的标度律。提出了一种新的数值方法来计算非线性Fredholm积分方程的平稳分布函数。
2014-11-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Elasticity-driven collective motion in active solids and active crystals
我们介绍了一个简单的模型，自推进剂连接线性弹簧，没有明确的对齐规则。在临界噪声水平以下，代理自组织成一个集体平移或旋转组。我们推导了弹性薄板近似下平移态的解析稳定性条件。我们提出了一种基于弹性的机制，通过将自推进能量级联到低能模式来驱动收敛到集体运动。鉴于其简单性和普遍性，这种机制可以在各种生物和机器人群体中发挥相关作用。
2013-01-11 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
A kinetic model and scaling properties for non-equilibrium clustering of self-propelled particles
我们表明，聚类统计和相应的相变的非平衡聚类中发现的许多实验和模拟研究与自推进粒子（SPPs）与对齐可以从一个简单的动力学模型。这一方法的关键要素是用团簇质量来缩放团簇横截面-用指数$α$来表征-以及用指数$β$来描述团簇质量来缩放团簇周长。动力学方法的分析表明，SPPs表现出两个阶段：i）一个单独的阶段，其中的集群大小分布（CSD）是由一个指数的尾巴，定义了一个特征集群大小占主导地位，和ii）集体阶段的特点是存在的非单调CSD与局部最大值在大集群大小。在这两个阶段之间的过渡的CSD是很好地描述了一个幂律与临界指数$γ$，这是一个功能的$α$和$β$只有。临界指数被发现是在$0.8 < γ< 1.5$的范围内，在实验和模拟中的观察。
2013-03-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Leader-cell-driven epithelial sheet fingering
集体细胞迁移在许多生物学过程中是至关重要的，如伤口愈合、组织形态发生和肿瘤进展。集体迁移的上皮细胞层的前沿往往不稳定成多细胞的指状突起，每个突起都由指尖的前导细胞引导。在这里，我们开发了一个亚细胞元素为基础的模型，这种指状不稳定性，它结合了领导细胞和其他相关特性的单层上皮细胞。我们的模型恢复了MDCK细胞实验中观察到的动力学的多个方面，特别是牵引力模式和速度场。我们的模型预测的必要性的领导细胞和它的最小功能的形成和维持一个稳定的手指图案。同时，我们的模型允许分析超细胞肌动蛋白电缆在前沿的作用，预测虽然这种观察到的结构有助于保持手指的形状，但它不是形成手指所必需的。此外，我们还研究了连续介质主动流体模型下的驱动不稳定性，验证了计算方法中的一些假设。特别是，我们表明，在我们的模型中，没有手指突起会出现在一个表型均匀的活性流体，因此领导细胞及其追随者的作用往往是至关重要的。
2020-05-06 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Self-propelled particles driven by light
Third Institute of Physics, Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学第三物理研究所）
研究通过光作为能量源推动自推进粒子，展示其在生物组织中的应用潜力，验证了折射驱动的可行性。
2026-04-16 physics.bio-ph
Active diffusion of self-propelled particles in flexible polymer networks
具有网状拓扑结构的生物聚合物网络，细胞外基质和粘液凝胶是普遍存在的。这是一个开放的问题，以了解如何自推进剂，如Janus胶体颗粒扩散通过这样的生物聚合物网络。在这里，我们通过明确建模三维生物聚合物网络和执行Langevin动力学模拟的主动扩散的自推进示踪剂在其中计算深入探讨这个问题。我们发现，活性示踪剂进行不同的扩散动力学取决于网格的颗粒大小和Péclet数（Pe）。当颗粒小于筛目尺寸时，其如同在自由空间中移动，根据聚合物占据密度和Pe，其移动性降低。然而，当颗粒尺寸增加到与筛目尺寸相当时，活性颗粒使用捕获和跳跃机制探索聚合物网络。我们研究了在不同Pe下的捕获时间分布、飞行长度分布、均方位移和长时间扩散率。如果颗粒大于网格，则它在短时间内捕获聚合物网络的集体粘弹性动力学，并且在长时间内捕获整个系统的简单扩散。最后，我们讨论的标度行为的长期扩散与Pe，在那里我们找到一个范围的Pe，产生一个非平凡的幂律。后者原来是从一个大的波动的捕获，激活示踪剂与响应聚合物网络共轭。
2022-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective motion and nonequilibrium cluster formation in colonies of gliding bacteria
我们在实验中的细胞运动的特点，并表明，过渡到集体运动的滑翔细菌细胞局限于一个单层的殖民地出现通过组织的细胞成更大的移动集群。集体运动的非平衡团簇形成检测的临界细胞包装分数约17%。这种转变的特点是无标度的幂律团簇尺寸分布，与指数$0.88\pm0.07$，并出现巨大的数字波动。我们的研究结果是在定量协议与模拟自推进棒。这表明细菌的自推进和细菌的杆状的相互作用足以诱导集体运动。
2013-02-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Fluctuation-induced collective motion: A single-particle density analysis
在一个有噪声的自推进粒子系统中，如果粒子的密度增加超过一定的阈值，则会出现集体运动。在本文中，我们认为，这样的阈值也可能取决于在粒子方向上的扰动的配置文件。具体来说，我们进行平均场，线性稳定性，微扰和数值分析的近似形式的福克-普朗克方程描述的系统。我们发现，如果一个初始均匀系统的角扰动是大的幅度和高度本地化的空间，它将被放大，从而作为集体运动的开始的指示。我们的结果还表明，高粒子速度促进集体运动。
2010-03-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stability of milling patterns in self-propelled swarms on surfaces
在一些物理和生物群体中，代理人有效地沿着弯曲的表面移动和相互作用。相关的约束和对称性可以影响集体运动的模式，但很少有人知道的模式的稳定性存在的表面曲率。为了取得进展，我们使用拉格朗日力学构建了一个自推进的群体在表面上移动的一般模型。我们发现，自推进，摩擦，相互吸引和表面曲率的组合产生铣削模式，每个代理在一个群体中振荡的极限环，与不同的代理沿周期张开，使群体的质心保持静止。在一般情况下，这种模式松散的稳定性时，相互吸引力不足以克服曲率的约束，我们发现两大类固定铣削状态分岔。在第一种情况下，随着曲率的增加，空间周期模式发生Hopf分叉，导致不稳定的时空振荡。这个通用的分歧进行了分析的领域，并证明了几个表面的数值。在第二个周期轨道中，稳定和不稳定的铣削状态发生碰撞和湮灭。后者分析了圆柱表面上的铣削状态。我们的研究结果有助于普遍理解的群体模式的形成和稳定性，在表面曲率的存在下，并可能有助于设计机器人群，可以控制移动复杂的表面。
2020-07-31 nlin.AO physics.bio-ph
Optimal noise maximizes collective motion in heterogeneous media
研究了空间不均匀性对自推进粒子集体运动的影响。的异质性被建模为一个随机分布的静态或扩散的障碍物，其中的SPP避免，同时试图调整他们的运动。我们发现，这样的障碍有一个戏剧性的影响，通常的SPP模型的集体动力学。特别是，我们报告的最佳（角）噪声振幅，最大限度地提高集体运动的存在。我们还表明，虽然在低障碍物密度的系统表现出长程序，在强烈的非均匀介质集体运动是准长范围的，只存在于两个临界噪声值之间的噪声值，与系统被无序在两个，大和低噪声振幅。由于大多数真实系统具有空间不均匀性，因此找到最佳噪声强度对于集体运动策略的设计和演化具有直接的实际和基本意义。
2013-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Geometry-Induced Dynamics of Confined Chiral Active Matter
该研究针对手性活性物质中物理约束与手性运动的相互作用机制不明确的问题，通过对圆形边界下的手性自驱动粒子开展数值模拟，发现粒子手性会显著改变受限集体运动形式，且取向变化平衡是有序运动的关键，明确了位阻边界效应对手性活性物质的调控作用。
2023-07-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective motion of organisms in three dimensions
我们研究了一个群集模型，以描述生物体在三维（例如，鸟类）。在该模型中，代表生物体的颗粒是自推进的，即，它们以相同的绝对速度运动。此外，粒子通过在每个时间步长选择其邻居的平均运动方向进行局部相互作用，并且还考虑了波动的影响。我们提出的第一个结果，在三维噪声的存在下，大规模植绒。我们表明，根据控制参数的无序和长程有序相可以观察到。相应的相图有许多特征，这些特征在性质上不同于类似平衡模型的典型特征。
1999-02-09 physics.bio-ph q-bio
Light-switchable propulsion of active particles with reversible interactions
活跃的系统，如微生物和自推进粒子显示出大量的集体现象，包括群集，集群和相分离。对推进方向的控制和各个自推进单元之间相互作用的可切换性可能为从内部设计材料开辟新的途径。在这里，我们提出了一个自推进的颗粒系统，由半金涂层二氧化钛（$\mathrm{TiO}_2$）颗粒，在其中，我们可以快速和按需逆转推进方向，通过利用两侧不同的光催化活性。我们表明，在推进方向的逆转改变的性质的流体动力学相互作用从吸引到排斥，并可以驱动粒子组装进行融合和裂变过渡。此外，我们还表明这些活性胶体可以充当成核位点，并快速切换活性和被动粒子之间的相互作用，从而导致可重构的组装和拆卸。我们的实验定性描述的最小流体动力学模型。
2020-11-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
