Feedback-controlled mechanics of tissue vertex model: emergent soft elasticity and active yielding
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）
研究通过最小顶点模型揭示细胞尺度过程如何产生组织尺度向列序，并影响组织流变学，发现主动屈服状态与柔软弹性状态的转变机制。
2026-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active Disassembly and Reassembly of Actin Networks Induces Distinct Biphasic Mechanics
肌动蛋白是细胞骨架的关键组成部分，在细胞运动、分裂、生长和抗张强度中起着核心作用。为了实现这种广泛的瞬时机械过程和特性，肌动蛋白丝的网络通过主动解聚/再聚合不断地分解和重新组装。然而，问题仍然是如何去/重新聚合动力学的个别肌动蛋白丝转化为随时间变化的力学的dis-reassembled网络。为了解决这个问题，最终阐明的分子机制，使细胞表现出无数的短暂的机械性能，我们耦合时间分辨的活性微流变学与微流体测量的时变粘弹性模量的缠结和交联肌动蛋白网络在化学触发的网络拆卸和重新组装。我们还开发了一个相应的数学模型，涉及的时间演变的细丝长度的演变网络的时间依赖性存储模量。在拆卸过程中，我们发现，模量表现出两个不同的指数衰减，实验时间常数为$\sim$ 169和$\sim$ 47分钟，我们显示产生从一个从一个刚性的网络到一个非刚性的制度发生后，$\sim$ 90分钟的相变。在重组过程中，测得的模量表现出随时间的线性增加$\sim$ 90分钟，之后达到稳态值。我们的理论模型表明，重组力学主要由伸长动力学，并且伸长速率比最近假设的要慢得多。我们的测量揭示了聚合动力学如何映射到积极发展的细胞骨架网络的时变机制，并为研究目前正在深入研究的其他活性和动态系统提供了一个强大的平台。
2017-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Flow-wave coupling synchronizes oscillations in growing active matter
TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究通过实验和模型揭示了机械反馈如何稳定生化波传播，为活物质中的长程有序提供了机制。
2026-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Beyond Newtonian Mechanics: An Exploration of Active Force in Complex Swing Motions
本文提出由身心相互作用产生的主动力概念，并将其纳入牛顿第二定律建立新控制方程，以解释儿童复杂摆动中的自组织运动，揭示主动力在生命系统中的基础作用。
2023-09-20 nlin.AO physics.bio-ph
Formation and mechanics of fire ant rafts as an active self-healing membrane
本文通过力—位移、蠕变实验与图像分析，揭示火蚁筏依靠蚂蚁主动重排实现自愈、零泊松比及可调杨氏模量的主动膜力学机制。
2023-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Theory of nematic and polar active fluid surfaces
我们推导出一个完全协变理论的流体动力学的极性和极性的活性表面，受到内部和外力和扭矩。本文研究了极曲面和非极曲面的对称性，发现除了5种不同类型的面内各向同性曲面外，极曲面和非极曲面还可分为5种极曲面、2种伪极曲面、5种伪极曲面和2种面内各向同性曲面。我们给出了我们已经确定的不同类型的表面的物理实现的例子。我们得到的表达式的平衡张力，力矩，和外力和扭矩作用在一个被动的极或曲面。我们计算的熵产生率使用热力学接近平衡的框架，并找到本构方程的极性和非极性表面具有不同的对称性。本文研究了受限平面手征极性有源层和对称性破缺的受限可变形极性有源表面的不稳定性。
2022-07-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Optimal crawling: from mechanical to chemical actuation
该研究提出结合机械与化学驱动的爬行自推进物理模型，揭示两种驱动的竞合对爬行性能的影响，为仿生爬行机器人最优设计提供新范式。
2024-05-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Scale dependence of mechanics and dynamics of active gels with increasing motor concentration
细胞骨架蛋白肌动蛋白组装成大束时，支持在细胞中的压力，但成长为一个精细的分支网络，以诱导细胞运动。这样的自组织过程中研究的人工网络的细胞骨架蛋白与厚肌动蛋白束和大马达蛋白聚集体，使光学观察。在这里研究了由小得多的电机组件组成的网络中的电机聚集体的大小对细胞骨架力学性能的影响。已知大的马达蛋白簇通过引入张力和额外的交联位点来增加基于肌动蛋白的网络的刚度。我们发现，这些影响是普遍的肌动蛋白凝胶，无论肌动蛋白束的厚度和电机聚集体的大小和相关的，因此，以广泛的细胞骨架为基础的细胞过程。相比之下，电机引起的主动波动显着依赖于电机组件的大小，具有独特的非高斯统计在高浓度的小组件。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Active drive towards elastic spinodals
本研究将经典旋节线态概念拓展至活性固体，揭示活性物质可主动驱动至弹性旋节线区域，实现刚度的可控变化，且非线性下跨越旋节线会产生新能量势阱并形成力通道化微观结构。
2025-05-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanics and thermodynamics of contractile entropic biopolymer networks
针对收缩性生物聚合物网络的熵弹性，本文结合瞬态交联网络动力学理论与由 Onsager 关系确定的活性通量，建立了宏观力学的闭式模型。
2024-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
A minimal physical model of cochlear mechanics: Insights into active nonlinear feedback
BITS Pilani K K Birla Goa Campus（比拉理工学院戈亚校区）；Department of Physics, BITS Pilani K K Birla Goa Campus（比拉理工学院戈亚校区物理系）
本文构建含指数型位移依赖主动反馈的一维分布式极简耳蜗模型，重现耳蜗力学关键特征，其非线性响应优于三次非线性模型，揭示局部主动过程与纵向相互作用的协同作用。
2026-08-11 physics.bio-ph
Morphodynamics of Active Nematic Fluid Surfaces
在大变形极限条件下，建立了控制可变形曲面上主动粘性流体行为的形态动力学方程。重点放在制定的目标率，占正常的变形，同时确保切向流是欧拉，并使用的表面导数（而不是协变导数）的自由能，弹性耦合当地为了平面外弯曲的表面。专注于表面几何形状和它的动态相互作用与流体力学，几个说明性的不稳定性，然后表征。这些例子包括斯克里文-洛夫数及其近似的作用不可忽略的情况，以及主动的非线性强迫可以用Föppl-von-Kármán数的近似来表征的情况。对于前者，流动和变化的纹理耦合到表面几何形状的粘性耗散。结果表明，这导致在非平凡的松弛动力学的一个管。对于后者，在拉伸（主动起皱）和收缩（主动珍珠）的不稳定性的管形状，以及积极的弯曲不稳定性的拉伸自由能耦合到表面弯曲条款，在拉伸织构。与平面情况相比，这种弯曲不稳定性现在具有由管的非本征曲率设定的阈值。最后，我们研究了一个拓扑缺陷位于一个几乎平坦的表面上，并表明存在一个稳定的状态，缺陷的弹性，活动和不可忽略的自旋连接的组合驱动的表面形状的变化。
2023-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Local polar order controls mechanical stress and triggers layer formation in developing Myxococcus xanthus colonies
本研究揭示了发育中黏球菌菌落中局部极性序对机械应力和细胞层结构形成的控制机制，发现细胞通过调整反转频率调节局部极性序，进而触发多层结构形成。
2023-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanics and Variability of Cell Sheet Folding in the Embryonic Inversion of $Volvox$
胚胎发育过程中的许多变形是局部细胞形状变化和其他局部活性细胞片变形的整体结果。因此，形态发生不仅依赖于组织产生这些主动变形的能力，而且依赖于以克服组织的固有可变性和几何约束的方式调节它们的能力。在这里，我们探讨了绿色胚胎$Volvox$的调节和变异的相互作用，其球形胚胎将自己从内到外，使运动。通过光片显微镜和理论分析的结合，我们量化了这种反转的可变性，并详细分析了其力学，以显示形状的可变性是如何从几何，力学和主动调节的组合中产生的。
2017-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Mechanics promotes coherence in heterogeneous active media
该研究针对异质心肌细胞集合的自组织协调问题，通过改变细胞间耦合与电生理多样性揭示多种集体行为，并发现牵张激活电流介导的力学作用可促进全局相干性，为理解器官生理同步提供力学视角。
2024-08-20 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.TO
In Vivo Quantification of Arterial Active Mechanics Using Deep Learning-Assisted Pressure-Area Analysis
Institute of Biomechanics and Medical Engineering, AML, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University（清华大学工程力学系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，生物力学与医学工程系）
本研究利用深度学习辅助压力-面积分析，量化活体动脉主动力学变化，揭示运动后动脉主动力学与血压的分离特性。
2026-01-19 physics.bio-ph physics.med-ph
Self-organization and Mechanical Properties of Active Filament Bundles
提出了一种极丝活动束的唯象描述。纤维束的活动是由交联引起的，交联引起排列的纤维之间的相对位移。我们的一般描述是基于束内的动量守恒。通过指定的内力，一个简单的极小模型的束动力学，捕捉一般的动态行为。特别是，收缩状态以及孤立波和振荡波出现通过动态不稳定性。丝粘附的引入导致自组织持续的丝运输。此外，计算的张力，均匀束被证明是能够积极的合同，并执行对外力的工作。我们的描述是由细胞骨架中的动态现象所激发的，并且可以应用于细胞运动过程中的应力纤维和自组织现象。
2003-03-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Growth, collapse, and stalling in a mechanical model for neurite motility
神经突是形成神经元网络路径的长细胞突起，能够在早期形态发生期间主动延伸或在创伤后再生。为了完成这项任务，它们依赖于细胞骨架的机械支持。在本文中，我们提出了一个三组分的活性凝胶模型，描述了神经突在三个强大的机械状态实验观察到：崩溃，静态和能动。这些状态产生于由神经突的微管丰富的内核的生长驱动的物理力与其周围皮质膜的肌动蛋白-肌球蛋白收缩性之间的相互作用。特别是，静态表现为这两个平行结构的机械牵引/压缩平衡。该模型预测了神经突对牵引力的响应如何取决于力的大小，并恢复了神经突对几种药物治疗的响应，这些药物治疗调节细胞骨架的主动和被动特性。
2016-02-29 physics.bio-ph
Engineering reconfigurable flow patterns via surface-driven light-controlled active matter
表面驱动的流动在自然界中是普遍存在的，从亚细胞胞质流动到器官规模的纤毛阵列。在这里，我们的模型如何限制几何形状可以用来工程复杂的流体动力学模式驱动的活动仅在边界上规定。具体来说，我们模拟光控表面驱动的活性物质，探测的新兴性质的悬浮液的活性胶体，可以绑定和解除绑定预先图案化的表面的一个封闭的微室，一起创建一个积极的地毯。附着的胶体产生大规模的流动，这反过来又可以将分离的颗粒向壁平流输送。切换粒子速度与光，我们的程序的主动悬浮和展示了丰富的设计空间的流动模式，其特征在于拓扑缺陷。我们推导出可能的模式结构，并使用此理论来优化不同的微流体功能，包括流体动力学分区和混沌混合。我们的研究结果为设计和控制表面驱动的活性流体铺平了道路。
2020-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active mechanics reveal molecular-scale force kinetics in living oocytes
细胞内组分的主动扩散正在成为细胞生物学中的重要过程。这个过程是由分子马达和细胞骨架丝的复杂组装介导的，这些分子马达和细胞骨架丝驱动细胞质中的力产生并促进增强的运动。分子马达的动力学已经通过单分子方法在体外精确地表征，然而，它们的体内行为仍然难以捉摸。在这里，我们研究了小鼠卵母细胞中囊泡的主动扩散，在此过程中发挥了关键作用，在发展过程中的核定位，并结合实验和理论框架，以提取分子尺度的力动力学（力，功率冲程，和速度）的体内活性过程。假设一个单一的主导过程，我们发现，非平衡活性诱导持续时间$τ\sim$ 300 $μ$ s的快速踢，导致体内卵母细胞中囊泡上的平均力为$F \sim$ 0.4 pN，我们的研究结果表明，测量体内活性波动允许提取与单细胞活性一致的分子尺度活性。分子的研究和演示介观框架访问力动力学。
2018-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Towards an active matter theory of plant morphogenesis
Max Planck Institute for Plant Breeding Research（马克斯·普朗克植物育种研究所）；Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes, Université de Lyon, ENS de Lyon, UCBL, INRAE, CNRS, Inria（里昂大学、里昂高等师范学院、里昂第一大学、法国国家农业食品环境研究院、法国国家科学研究中心、法国国家信息与自动化研究所植物繁殖与发展联合实验室）；Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, TIMC（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔理工学院TIMC实验室）
本文提出一种整合细胞吸水、组织力学和水分流的植物形态发生理论，通过生物调控、机械力和水分流的相互作用，揭示植物形态生成的物理机制。
2025-12-05 physics.bio-ph
Active elastocapillarity in soft solids with negative surface tension
活性固体消耗能量以允许致动、形状改变和在平衡中不可能的波传播。尽管许多实验系统已经实现了主动界面，但三维（3D）散装材料的控制仍然是一个挑战。在这里，我们开发了连续介质理论和微观模拟，描述了一个三维软固体的边界经历主动表面应力。活动边界和弹性体之间的竞争产生了广泛的以前未探索的现象，这是所谓的活动弹性毛细现象的演示。与薄壳和囊泡相比，我们发现，大体积3D弹性控制不同各向异性形状之间的过渡。这些过渡满足一个临界点，允许通过朗道理论的普遍分类。活动表面修改弹性波传播，以允许零，甚至负，群速度。这些现象为将形状变化和功能编程到活性固体中提供了强大的原则，从机器人超材料到形状变化的纳米颗粒。
2021-07-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Colliding cells: when active segments behave as active particles
量化细胞碰撞的结果是建立生命物质动力学理论基础的关键一步。在这里，我们开发了一个机械理论的这种碰撞，首先代表个别细胞与内部活动的扩展对象，然后减少这种描述的模型的大小，其特征在于其位置和极性的活性粒子。我们表明，在施加的力的存在下，一个细胞可以被拖动或自我推进的力量，这取决于细胞的极性。这些制度的共存提供了一个自洽的力学解释细胞复极化后接触。我们合理化的实验观察到的碰撞场景中的扩展和粒子模型，并将各种结果与可测量的生物参数。
2018-06-25 physics.bio-ph
Inter-particle adhesion regulates the surface roughness of growing dense three-dimensional active particle aggregates
活动和自生运动是在许多生命和非生命系统中观察到的基本特征。鉴于颗粒间的粘附力是已知的，以调节颗粒动力学，我们研究如何粘附强度控制的边界生长和粗糙度在一个活跃的颗粒聚集。使用基于粒子的模拟，结合活动（出生，死亡和生长）和系统的物理相互作用（弹性和粘附），我们建立了粒子间粘附强度（$f^{ad}$）控制的表面粗糙度的密集堆积的三维（3D）活性粒子聚集体扩展到一个高粘度的介质。我们发现，3D活性颗粒聚集体的表面粗糙度与颗粒间粘附强度$f^{ad}$成比例地增加。我们发现，在径向和切向的活性颗粒均方位移（MSD）的不对称性抑制3D表面粗糙度在较低的粘附强度。通过分析颗粒位移的统计特性在聚集体外围，我们确定的3D表面粗糙度是由活性颗粒的运动向核心在高颗粒间的粘附强度。我们的研究结果阐明了物理控制粘性3D活性颗粒集体膨胀成一个高粘性介质，与理解随机界面生长的影响活性物质系统，其特征在于自生粒子通量。
2021-03-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Fluctuations in active membranes
对波动的积极贡献是活细胞中代谢能量消耗的直接结果。这种代谢过程不断产生主动力，使膜变形以控制运动性、增殖以及体内平衡。因此，膜波动包含有价值的信息的性质，积极的力量，但经典的分析膜波动主要集中在纯粹的热驱动。本章概述了相关的实验和理论方法来测量，分析和建模主动膜波动。在讨论的焦点仍然是固有的问题，即唯一的波动分析可能不足以将活性从热贡献中分离出来，因为活性的存在可能会改变膜本身的机械性能。通过结合自发波动和机械响应的独立测量，可以直接量化活性贡献的时间和能量尺度，从而改进活性膜的当前理论描述。
2018-10-01 physics.bio-ph
Morphodynamics of surface-attached active drops
本文研究表面附着活性液滴的形态动力学，发现其稳态形状与内部流动远比薄液滴极限下更丰富，并给出预测和调控这些状态的定量设计原理。
2024-11-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
The physics of hearing: fluid mechanics and the active process of the inner ear
大多数感兴趣的声音由不同频率和可变振幅的音调的复杂的、依赖于时间的混合物组成。为了检测和处理这些信号，耳朵采用了一种高度非线性、自适应、实时的频谱分析仪：耳蜗。声音刺激鼓膜和中耳的三个微小骨的振动，中耳的最后一个充当活塞以在耳蜗的充满液体的腔室内启动振荡压力变化。基底膜是一个弹性带，沿着耳蜗在两个腔室之间螺旋形延伸，通过传导输入的每个频率分量的基本独立的行波来响应这些压力。然而，由于基底膜的质量和刚度沿其长度逐渐增加，每个行波的幅度增加，波长减小，直到它在特定的频率依赖性位置达到峰值：低频传播到耳蜗顶端，而高频在基部达到顶峰。基底膜的振动使毛束偏转，毛束是耳朵感觉感受器的机械敏感细胞器，毛细胞。当机械敏感的离子通道打开和关闭时，每个毛细胞都会发出电信号，该电信号通过化学方式传递到传入神经纤维，然后进入大脑。除了转换机械输入，毛细胞还放大它们[...]
2014-08-09 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.NC
Optimal surface topography for cell adhesion is driven by cell membrane mechanics
在许多研究中使用用氧化钛纳米管处理的钛表面来量化表面形貌对细胞命运的影响。然而，预测的最佳直径的纳米管之间的研究有很大差异。我们提出了一个模型，解释细胞黏附纳米结构的表面，考虑变形能的细胞突起到钛纳米管和粘附表面。最佳表面拓扑被定义为使膜具有最小能量形状的几何形状。提出了一个无量纲参数--细胞相互作用指数，用以描述细胞膜弯曲、内曲率和细胞黏附强度之间的相互作用。模型模拟表明，最佳的纳米管直径范围为20 nm至100 nm（细胞相互作用指数之间的0.2和1，分别）是可行的，在一定范围内的参数描述的粘附力和弯曲能。结果表明，有可能调整纳米结构表面的拓扑结构，以提高细胞的增殖和分化与给定的表面几何形状机械兼容，同时抑制其他机械不兼容的细胞的生长。
2020-06-30 physics.bio-ph q-bio.CB
Examining the assembly pathways and active microtubule mechanics underlying spindle self-organization
基于微管的有丝分裂纺锤体的双极组织对于细胞分裂中染色体的忠实分离是必需的。尽管我们对基因和蛋白质有广泛的了解，但微管集合如何组装成适当的双极形状的物理机制仍然难以捉摸。在这里，我们使用无细胞的非洲爪蟾卵提取物和基于计算机的自动形状分析研究纺锤体自组织的途径。我们的显微镜分析使我们能够同时记录大量细胞质中数百个纺锤体的生长，并系统地分析自组织过程中每个结构的形状。我们发现，纺锤体成熟为双极形状的路线与那些最终具有缺陷结构的路线不同，例如三极形状。此外，成熟的结构是高度稳定的，在不同形状表型之间几乎没有转化的机会。对微管运动的可视化进一步揭示了一部分微管在额外的两极之间组装并将两极推开，这表明存在防止两极合并的主动伸展力。总之，我们建议，一个适当的控制的幅度和位置的可扩展，极推力是至关重要的建立主轴双极性，同时防止多极化。
2020-11-30 physics.bio-ph q-bio.SC
Active Force Dynamics in Red Blood Cells Under Non-Invasive Optical Tweezers
Universidad Complutense de Madrid（马德里康普顿斯大学）；Instituto de Investigación Sanitaria Hospital Doce de Octubre（马德里十二月十二日医院卫生研究所）；Universidad Francisco de Vitoria（弗朗西斯科德维多利亚大学）
该研究利用非侵入式光学镊子技术，揭示红细胞在不同化学处理下的机械动态特性，通过膜力波动分析区分代谢与结构状态，为活细胞主动力学研究提供新方法。
2025-12-15 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.CB
Coordinated motion of active filaments on spherical surfaces
协调纤毛在整个自然界中用于微米尺度的流体运输。它们通常在固定的平面上用规则的灯丝阵列建模。在这里，我们模拟了数百个相互作用的活性丝在球面上，纤毛位移场的缺陷必须存在。我们看到，对于保持固定的球体，朝向或围绕两个缺陷同步跳动。缺陷改变细丝跳动，导致球体一旦释放就移动。这种运动反馈到灯丝，导致沿赤道的异时性行为的旋转状态。
2021-11-30 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
