The mechanism of propulsion of a model microswimmer in a viscoelastic fluid next to a solid boundary
在本文中，我们研究的模式生物，所谓的泰勒的游泳片，在粘弹性流体接近固体边界的游泳。这种情况包括许多游泳微生物的自然栖息地，虽然以前的调查已经考虑了游泳的边界和游泳的粘弹性流体的影响，很少有这两种影响被同时考虑。我们重新回顾了Elfring和Lauga（Gwynn J.Elfring和Eric Lauga，Saverio E. Spagnolie，editor，Complex Fluids in Biological Systems，Springer New York，New York，NY，2015），并给出了对粘弹性（其倾向于减慢片材）和边界（其倾向于加速片材）的存在的影响的解耦的机械解释。我们还开发了一个数值谱方法，能够找到一个任意振幅和波形的波动片的游泳速度。我们用它来表明，上面提到的解耦不持有在有限的波振幅，并为某些参数的边界的存在下，可能会导致粘弹性效应，以增加微生物的游泳速度。
2018-01-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Tuning microswimmer motility by liposome encapsulation: swimming and cargo transport of Chlamydomonas-encapsulating liposome
Hosei University（法政大学）；The University of Osaka（大阪大学）；Tokyo University of Agriculture and Technology（东京农工大学）
研究通过脂质体封装Chlamydomonas藻类，调节微游泳者运动性，提出从流体力学角度推导出变形-速度表达式，并展示通过光响应性脂质实现运动性可逆切换。
2026-03-31 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming strategy of settling elongated microswimmers by reinforcement learning
水生生态系统中特定类型的浮游生物可以根据当地的水流环境协调它们的运动，以到达有利于它们生长或繁殖的区域。调查他们的游泳策略与当地环境是重要的，以深入了解他们的行为在水生环境中。在本研究中，为了研究形状和重力对游泳策略的影响，浮游生物被认为是椭圆形的沉降游泳颗粒。采用Q学习方法获得智能粒子的游泳策略，目标是在二维稳态流中有效地向上移动。从强化学习获得的策略相比，天真的gyrotactic粒子，考虑到现实的浮游生物的行为建模。结果表明，颗粒的伸长有利于颗粒抵抗涡的扰动，从而提高了颗粒向上游动的性能。在包括沉降速度的情况下，通过强化学习获得的策略具有与朴素回转协调策略相似的性能，并且它们都使游泳者向上对齐。通过机器学习得到的策略与生物学中的回转定向策略的相似性，揭示了现实浮游生物的非球面形状和沉降效果与其回转定向特征之间的关系。
2020-03-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Swimming trajectories of a three-sphere microswimmer near a wall
在粘性流中，由自推进的活性颗粒和游动的微生物产生的流体动力学流场被附近边界的存在强烈地改变。使用一个简单的模型三个链接的球体游泳者，我们表明，附近的无滑壁的游泳轨迹揭示了各种方案的运动取决于初始方向和游泳者从墙壁分离的距离。我们发现，游泳者可以被困的墙壁，完全逃脱，或执行振荡滑翔运动在一个恒定的平均高度以上的墙壁。使用远场近似，我们发现，在领先的顺序，壁诱导校正源偶极或四极流结构的平移和角速度的游泳者衰减为倒数第三和第四权力与距离墙，分别。所得到的运动方程的轨迹和相关的序参量充分表征状态之间的过渡，并允许一个准确的描述附近的墙壁的游泳行为。我们证明了捕获和振荡滑动状态之间的过渡是一阶不连续的，而捕获和逃逸状态之间的过渡是连续的，其特征在于非平凡的标度指数的序参量。为了模拟固体界面附近的鞭毛细菌的圆周运动，我们进一步假设球可以围绕游泳轴进行旋转运动。我们表明，一般的三维运动可以映射到一个准二维的代表性模型通过适当的重新定义的序参量之间的过渡游泳状态。
2018-03-14 physics.bio-ph 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
Remote control of self-assembled microswimmers
控制微生物和其他微系统运动的物理学是由粘性阻尼控制的。一个有效的游泳策略涉及所考虑的身体的非互惠和周期性变形。在这里，我们表明，磁毛细驱动的自组装，由三个软铁磁珠，是能够游泳沿液-气界面时，由外部磁场供电。更重要的是，我们证明了轨迹可以完全控制，开辟了探索低雷诺数游泳的途径。这种磁毛细管系统通过自组装自发形成，允许小型化和其他可能的应用，如货物运输或溶剂流动。
2015-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Collinear Swimming of a Squirmer Pair in Newtonian and Shear-Thinning Fluids
Santa Clara University（圣克拉拉大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Towson University（陶森大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）；Texas A&M University–Corpus Christi（德克萨斯农工大学科珀斯克里斯蒂分校）
研究双 squirmer 在牛顿和剪切变稀流体中平行游动的相互作用，通过解析解和数值模拟验证，揭示相同速度配置及推进性能，分析剪切变稀对推进特性的影响。
2026-04-04 physics.flu-dyn
State diagram of a three-sphere microswimmer in a channel
在软物质系统中经常遇到几何约束，特别是显著改变粘性介质中游动微生物的动力学。表面对微泳者运动的影响可以在许多生物系统中导致重要的后果，例如生物膜形成、细菌粘附和微生物活性。基于低雷诺数流体动力学理论，研究了三球微游泳器在狭缝通道约束下的状态图，全面描述了中性游泳者、拉式和推式游泳者的游泳行为和运动轨迹.虽然推动者总是最终被困在通道壁处，但中性游泳者和拉动者可以进一步执行滑行运动并保持沿着通道的稳定航行。我们发现，由此产生的动力系统表现出超临界干草叉分岔，其中游泳的中间平面变得不稳定超过过渡通道的高度，而两个新的稳定的极限环或不动点，是对称设置的相对于通道的中间高度出现。此外，我们表明，平均游泳速度和旋转速率在一个通道中的准确描述可以捕获分析使用的方法的流体动力学图像，只要游泳者的大小是远远小于通道的高度。
2018-05-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal Ciliary Locomotion of Axisymmetric Microswimmers
本文数值优化了轴对称微游泳者的纤毛运动，发现扁长形状可提升两倍效率，而凹形形状的最优运动与球形不同，且约束纤毛长度可平均提高效率。
2021-08-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Multiflagellate Swimming Controlled by Interflagella Hydrodynamic Interactions
本研究模拟了多鞭毛微生物的游泳，发现鞭毛间水动力相互作用可增强或降低效率，异步步态有助利用iHIs并减少振荡，且存在最佳鞭毛数量，为微型游泳器制造提供指导。
2023-10-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Magnetically Driven Elastic Microswimmers: Exploiting Hysteretic Collapse for Autonomous Propulsion and Independent Control
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Institut für Physik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg（马格德堡大学物理研究所）
本文提出利用磁驱动弹性微游泳者实现自主推进与独立控制，通过优化几何结构和磁场形状提升推进速度，为微创医疗应用提供新方法。
2026-03-09 cond-mat.soft cs.RO physics.app-ph
Near-wall hydrodynamic slip triggers swimming state transition of microorganisms
能动微生物与附近固体基质的相互作用是一种研究得很好的现象。然而，流体动力滑移对基底的影响却很少受到关注。在本研究中，在蠕动模型的框架内，我们施加一个切向速度在游泳者表面作为纤毛推进的代表，随后获得的斯托克斯方程的精确解的基础上相结合的分析-数值方法。我们说明了近壁游泳速度是如何通过壁滑移和水动力的相互作用来改变的。我们报告了一个特征过渡的游泳轨迹的牵引器和推杆型microswimmer的流体动力学滑移，如果壁滑移长度跨越一个临界值。在牵拉式微型游泳者的情况下，其游泳装置在其细胞体之前的蛙泳样动作推动，壁滑移可以导致壁束缚捕获游泳状态，作为周期性或阻尼周期性振荡，否则将从无滑移壁逃逸。相关联的临界滑移长度有一个非单调依赖于初始取向的游泳者，这是由新的相图。推动者，这得到他们的推进推力从后鞭毛的行动，也表现出类似的游泳状态的转变，但在这种情况下，壁滑介导的重定向动力学和游泳模式的竞争，以不同的方式的拖拉机。目前的研究结果铺平了道路，了解生物microswimmer附近的运动特性的限制与疏水壁或策略的设计用于分选和运动整流的人工游泳者通过定制其表面润湿性的微流控装置。
2019-08-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Active particles in viscosity gradients
自然界中的微泳者经常经历粘性的空间梯度。在这项工作中，我们开发的理论结果的动态活性粒子，生物或其他，游泳通过粘度梯度。我们使用蠕动模型的活性粒子建模，并显示粘度梯度如何导致蠕动的趋粘性，以及粘度梯度的影响如何取决于游泳步态的microswimmer。我们还展示了粘度的这种梯度如何用于控制活性颗粒，并提出了一种根据其游泳方式对它们进行分类的机制。
2019-10-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Metallic Microswimmers Driven up the Wall by Gravity
作为一种自然的功能性行为，各种微生物通过定向和逆重力向上游动而表现出重力轴。本文所述的游动自泳纳米马达（包括纳米棒）在尾重时（即，当金属之一的密度大于另一种金属时）优先向上取向并沿着壁向上游动。通过实验和理论，确定了两种机制，有助于这种引力行为。首先，浮力或重力扭矩作用在这些杆上以使它们向上对齐。第二，杆与倾斜壁的流体动力相互作用在杆上引起前后阻力不对称，这加强了杆的取向偏差并促进其向上运动。
2020-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Surfactant-loaded capsules as Marangoni microswimmers at the air-water interface: Symmetry breaking and spontaneous propulsion by surfactant diffusion and advection
我们提出了一种实现的快速界面Marangoni microswimmer的半球形藻酸盐胶囊在空气-水界面，扩散释放水溶性的扩散分子（弱表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）），它作为“燃料”通过调节空气-水界面张力。对于许多不同的燃料，尽管藻酸盐颗粒和发射是各向同性的，但我们可以观察到对称性破缺和自发推进。推进机制类似于肥皂船或樟脑船，然而，它们通常在形状或排放上不对称以选择游泳方向。我们开发了一个理论的Marangoni船推进开始从低雷诺数的表面活性剂的扩散和平流和流体流动，其中包括表面活性剂引起的流体Marangoni流，和表面活性剂吸附在空气-水界面的耦合问题进行分析，我们还包括一个可能的表面活性剂的蒸发。游泳速度由阻力和Marangoni力的平衡决定。我们表明，自发对称性破缺导致推进是可能的临界无量纲表面活性剂的排放率（Peclet数）以上。我们推导出Peclet数和游泳速度之间的关系，并利用努塞尔数的概念推广到更高的雷诺数。该理论解释了所观察到的PEG-海藻酸盐胶囊的游泳速度，我们解开了基于樟脑的其他马兰戈尼船系统的差异，这主要是由表面活性剂从液体-空气界面蒸发引起的。的胶囊马兰戈尼微泳也表现出表面活性剂介导的排斥与墙壁的相互作用，这可以定性地解释在墙上的表面活性剂积累。
2021-04-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Interplay between Brownian and hydrodynamic tracer diffusion in suspensions of swimming microorganisms
该研究针对游泳微生物悬浮液中的示踪扩散问题，通过模拟与动力学理论发现，仅对静止摇荡型微游泳者布朗运动才会显著降低主动扩散系数，对常见生物微游泳者二者效应可加，修正了此前结论。
2023-10-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of Purcell-type microswimmers with active-elastic joints
本研究扩展Purcell三链微游泳器模型，引入主动弹性关节，数值分析揭示周期解多重性、方向反转及分岔等丰富非线性动力学，并推广至六链模型。
2024-07-18 math-ph math.MP nlin.CD
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
Inertial self-propulsion of spherical microswimmers by rotation-translation coupling
我们研究游泳的小球形颗粒谁调节流体流动在其表面上施加切向蠕动中风。我们推导出平移和旋转速度为任何给定的行程，这是不受轴对称通常假设。该配方包括流体和游泳者的惯性，其动机是惯性与大型团藻菌落的相关性。我们表明，惯性的贡献，平均速度来自动态之间的耦合平移和旋转，这只发生在中风，打破轴对称。值得注意的是，这种效果能够克服扇贝定理的不可能推进的时间可逆冲程。我们研究了轴对称行波的切向冲程和非对称时间可逆扑动的例子。在后一种情况下，我们发现，惯性驱动的平均速度是最佳的扑翼频率和游泳者的大小落在团藻菌落的实际物理值的范围内。我们推测，类似草履虫，大团藻可以使用时间可逆的中风惯性驱动的游泳加上他们的旋转。
2019-02-03 physics.flu-dyn
Quasi-two-dimensional bacterial swimming around pillars: enhanced trapping efficiency and curvature dependence
微泳者在准二维中比在三维中表现出更多样化的行为。由于处理两个平行固体边界的分析困难，这种行为仍然难以捉摸。准二维系统中附加障碍的存在使分析进一步复杂化。结合实验和流体动力学模拟，我们研究了空间维度如何影响微型游泳者和障碍物之间的相互作用。我们通过蚀刻盖玻片制作了准二维的微观柱，并观察到细菌在柱之间游动。细菌被捕获在圆形柱周围，并且捕获效率随着准二维度的增加或随着柱的曲率的减小而增加。最简单的情况下，一个封闭的蠕动的数值模拟显示异常增加的流体动力学吸引力，建立增强的相互作用是准二维微流体力学的一个普遍属性。我们还证明了局部曲率的障碍控制的捕获效率通过实验与椭圆柱。
2022-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Periodic and Quasiperiodic Motion of an Elongated Microswimmer in Poiseuille Flow
本文研究了不同几何形状的长球形微游泳体在Poietille流中的动力学行为。当在两个平行板之间或在圆柱形微通道中移动时，游泳者执行周期性摆动或周期性翻滚运动。虽然球形和细长游泳者的轨迹在性质上是相似的，但摆动和翻滚的频率强烈地取决于游泳者的长宽比。在对称性降低的通道中，游泳者进行准周期运动，我们明确地证明了在椭圆截面的通道中游泳。
2012-07-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Optimal control of a swimming robot based on Purcell's microswimmer model
本研究基于珀塞尔微泳者模型，构建高粘性流体中三连杆游泳机器人变体，应用庞特里亚金最大值原理结合数值方法，求解位移与能量效率最优步态，为机器人最优控制提供方案。
2026-09-01 cs.RO math.OC physics.flu-dyn
The effect of axisymmetric confinement on propulsion of a three-sphere microswimmer
本研究采用三球微型游泳者模型，通过理论分析与有限元数值模拟，发现在毛细管轴对称限制下，当管径与球径比在 $\mathcal{O}(1)-\mathcal{O}(10)$ 范围时推进速度显著降低，揭示了限制下减弱的流体动力学相互作用对推进的阻碍作用。
2023-07-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Motion of microswimmers in cylindrical microchannels
提出类似squirmer的模型研究圆柱形微通道中微型游泳者的运动，发现推进力随约束增强而增加，但游泳速度始终低于无约束状态，不同游泳模式对死胡同推进力影响显著。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Optimal swimmer can be puller, pusher, or neutral depending on the shape
微型游泳者采用最佳推进策略的能力对于他们在低雷诺数下的运动性能和生存至关重要。虽然对于完美的球形游泳者来说，最小耗散需要中性类型的游泳，但任何偏离球形的形状都可能导致游泳者采用新的推进策略，即拉式或推式游泳。在这项研究中，通过使用最小耗散定理的microswimmers，我们确定的流场的最佳近球形的游泳者，并表明，确实取决于形状的轮廓，最佳的游泳者可以是一个拉，推，或中性。使用渐近方法，我们发现，在形状函数的所有模式中，只有第三个模式决定了最优游泳者的游泳类型。
2021-06-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Nonlinear dynamics and bifurcations of a planar undulating magnetic microswimmer
本文研究平面波动磁性微游动体的非线性动力学，放宽小振幅假设后发现更快的后向运动，并分析了周期解分岔、对称性破缺及参数优化对游动速度的影响。
2023-04-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Upstream swimming in microbiological flows
微生物与其复杂的流动环境之间的相互作用在许多生物系统中是必不可少的。我们开发了一个模型，在非牛顿Poiffille流中的微游泳者动力学。我们预测，在剪切增稠（变稀）流体中的游泳者向上游迁移更快（少）比在牛顿流体中，并证明粘弹性的正应力差异重新定向游泳者，使他们向上游迁移的中心线，相反，众所周知的静态牛顿流体中的边界积累。基于这些观察，我们提出了一种通过游泳速度选择微生物的分选机制。
2015-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
Motility and rotation of multi-timescale microswimmers in linear background flows
本文针对一般线性平面流中的无惯性低效率微游泳体，通过多时间尺度简化控制方程，发现其动力学由两个衡量流场角速度与应变率平衡的参数组决定，平移运动特征仅由二者比值决定，由此建立了动力学的简单分类。
2025-04-02 physics.flu-dyn
Microtransformers: controlled microscale navigation with flexible robots
人工微泳者是一种新型的微流体技术，在生物医学领域有着广泛的应用前景，如定向货物运输、微尺度组装和靶向药物输送等。实现这一潜力的一个根本障碍是控制一个大群体中多个人的轨迹的能力。一个有前途的导航机制，为“燃料为基础的”微泳，例如自泳Janus粒子，需要调节当地的环境，以引导游泳者，例如通过蚀刻槽在微通道。然而，这种技术目前仅限于批量制导。本文将认为，通过制造微泳从泳丝的柔性形状记忆聚合物，弹性转换可以调节游泳行为，允许精确导航选定的个人在一组通过复杂的环境。
2018-06-04 physics.flu-dyn
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
Propulsion of a chiral swimmer in viscoelastic fluids
本研究揭示了手性微游泳体在粘弹性流体中速度提升源于魏森贝格效应，并发现其速度取决于推进者或牵引者类型，同时探究了成对游动体的水动力相互作用。
2024-11-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
3-D Printed Swimming Microtori for Cargo Transport and Flow Manipulation
经过数十亿年的进化，微生物掌握了独特的游泳行为，以在复杂的流体环境中繁衍生息。到目前为止，纳米纤维的局限性阻碍了设计和编程具有相同能力的合成游泳者的能力。在这里，我们使用纳米级3D打印对人工游泳者的多行为反应进行编码，例如微观的自推进tori。我们从实验和理论上证明了圆环面在磁场作用下在两种主要的游动模式之间连续过渡。Tori还可以操纵和运输其他人造游泳者、纳米棒以及被动胶体颗粒。在第一种行为模式中，环面积累和运输纳米棒;在第二种模式中，纳米棒沿着环面的自生流线排列。我们的研究结果表明，这种形状程序化的微泳者有可能操纵生物活性物质，例如细菌或细胞。
2020-04-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rechargeable self-assembled droplet microswimmers driven by surface phase transitions
人工微泳者的设计通常受到自然微生物策略的启发。这些生物中的许多利用了弹性在低雷诺数下打破运动的时间反演对称性的事实，但这一原则在主动的、自推进的微型游泳者的模型系统中明显缺失。在这里，我们介绍了一类microswimmer自发自组装和游泳，而不使用外力，而不是由温度变化引起的表面相变驱动。游泳者是由分散在表面活性剂水溶液中的烷烃液滴制成的，这些液滴在冷却时开始自我推进，由快速增长的薄弹性尾巴推动。当加热时，相同的液滴通过缩回它们的尾巴来充电，在每个循环中游泳长达数十分钟。大约5摄氏度的热振荡促使游泳者利用环境中的热量并多次充电。我们开发了一个详细的弹性流体动力学模型，这些过程中，并强调所涉及的分子机制。该系统提供了一个方便的平台，研究对称性破缺运动的游泳者利用鞭毛弹性。温和的条件和生物相容性的介质，使这些微泳潜在的探针研究生物推进和人工和生物游泳者之间的相互作用。
2021-07-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamics defines the stable swimming direction of spherical squirmers in a nematic liquid crystal
本文研究了一个具有破缺旋转对称性的活动粒子--模型蠕动体-在液晶中的流体动力学。通过模拟与解析计算相结合，我们发现蠕动流场和液晶指向矢之间的流体动力学耦合可以导致游泳者的重新取向。优选的取向取决于蠕动流场的确切细节。在一个稳定的状态下，推动者被示出为平行于方向盘的方向游动，而拉动者则垂直于方向盘的方向游动。这种行为完全是由蠕动流场和宿主流体的各向异性粘度之间的流体动力学耦合引起的。我们的研究结果表明，各向异性的游泳介质可以用来引导和引导大规模的球形microswimmer。
2017-07-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
On the stabilizing effect of swimming in an active suspension
本文研究杆状微型游泳者主动悬浮液中游动的稳定作用，证明无扩散时的线性 Landau 阻尼、小扩散下的非线性稳定性与增强耗散，以及全空间真空均衡稳定性。
2023-08-17 math.AP physics.flu-dyn
Swimming suppresses correlations in dilute suspensions of pusher microorganisms
在没有外力的情况下，活性物质表现出各种形式的非平衡态，包括宏观稳态电流。这种状态通常太复杂，无法从第一原理建模，我们对它们物理学的理解严重依赖于极小模型。这些主要是在“干”活性物质的情况下研究的，其中粒子动力学由与周围环境的摩擦主导。对于属于“湿”活性物质的具有长程流体动力相互作用的系统，人们所知甚少。运动细菌的稀悬浮液，被建模为仅通过远程流体动力场相互作用的自推进偶极颗粒，可以说是这类活性系统中研究最多的例子。它们的现象学是公认的：在足够高的细菌密度下，会出现由许多个体生物组成的大规模漩涡和射流，形成通常称为细菌湍流的混沌状态。正如计算机模拟所揭示的那样，在集体运动的开始之下，悬浮液表现出来自偶极场的长程性质的个体微泳者之间非常强的相关性。在这里，我们证明了这种现象是由微型游泳者的极小模型捕获的。我们开发了一个动力学理论，超越了常用的平均场假设，并明确考虑到这种相关性。值得注意的是，这些可以在我们的理论中精确计算。我们计算了流体速度方差、空间和时间关联函数、流体速度谱和示踪粒子的增强扩散系数。我们发现，相关性被抑制粒子自推进，虽然平均场的行为是不恢复，即使在非常快的游泳的限制。
2020-09-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Cross-stream migration of active particles
对于自然的微型游泳者，游泳活动和外部流动的相互作用可以促进稳健的运动，例如逆着（“上游趋流性”）或垂直于流动方向的推进。这些效应通常归因于它们复杂的体型和鞭毛跳动模式。在这里，使用催化Janus粒子作为模型实验系统，我们报告一个强大的方向性反应，发生在通道流中的球形活性粒子。粒子排列它们的推进轴，使其几乎垂直于流动方向和附近边界表面的法向量。我们开发了一个确定性的理论模型的球形microswimmer附近的平面壁，捕捉实验观察。我们展示了如何出现的剪切流和近水面游泳活动的相互作用的方向性反应。最后，加入热噪声的影响，我们得到的概率分布的游泳者取向，半定量地同意与实验分布。
2018-01-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stirring by Periodic Arrays of Microswimmers
游动微生物或人工自推进胶体与流体中的被动（示踪剂）颗粒之间的相互作用导致示踪剂的扩散增强。这种增强引起了人们的强烈兴趣，因为它可能导致新的策略来解决微流体规模上的混合难题。大部分的理论工作都集中在示踪剂和游泳者之间的流体动力学相互作用的散装流体。然而，在模拟中，周期性的边界条件（PBCs）往往施加在样品和流体。在这里，我们从理论上分析了PBCs对示踪粒子和微泳者之间的流体动力学相互作用的影响。我们制定了埃瓦尔德和领先的顺序产生的应力波奇异性的游泳者探测PBCs示踪剂轨迹的效果。我们发现，引入周期性的系统有一个令人惊讶的显着效果，即使是相对较小的游泳者示踪分离。我们还发现，体积限制只达到非常大的系统尺寸，这是具有挑战性的模拟与大多数流体动力学求解器。
2017-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamics of flagellated microswimmers near free-slip interfaces
本文用边界元法求解Stokes方程，研究了鞭毛微生物在平面自由滑动面附近游动时的流体动力学。取决于初始条件，游泳者可以从自由滑动表面逃脱或与边界碰撞。有趣的是，这种微生物并没有表现出稳定的轨道。与逃逸或吸引界面无关，靠近自由滑动表面，游泳者遵循逆时针轨迹，与实验发现一致，[15]。流体动力学确实是由自由表面修改。事实上，当同一个游泳者靠近一个无滑动壁时，存在一组初始条件，这些条件导致稳定的轨道。此外，当靠近自由滑动或无滑动边界移动时，游泳者相对于其轨迹采取不同的取向。总之，这些结果有助于揭示接近液-气界面的微生物的流体动力学行为，这与好氧细菌的界面生物膜的形成有关。
2017-03-30 physics.flu-dyn
Gravity induced formation of spinners and polar order of spherical microswimmers on a surface
我们数值研究的流体动力学的自推进粒子系统，由球形蠕动沉积在一个平面上。我们观察到的动态结构的出现，由于粒子粒子和粒子壁的流体动力学相互作用的相互作用。在低覆盖率，我们的研究结果表明，形成小的手性自旋：两个或三个粒子通过近场流体动力学相互作用结合在一起，分别形成一个旋转的二聚体或三聚体。自组织旋转器的稳定性可以通过沉降的强度来调节。增加颗粒浓度导致颗粒之间的相互作用增加，旋转器变得不稳定。在更高的面积分数，我们发现，推动颗粒可以调整其游泳方向，导致一个稳定的极性顺序和增强的运动。此外，我们测试的稳定性的极序存在一个固体边界。我们观察到一个圆柱形的限制粒子涡的出现。
2019-12-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Orientation Dynamics of Gyrotactic Microswimmers in Turbulent Flows
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；Indian Institute of Technology Roorkee（印度理工学院鲁尔基分校）
研究湍流中磁性趋游微游泳器的取向动力学，分析不同参数对取向分布的影响，发现强磁性趋游促进垂直对齐，弱磁性趋游则趋于各向同性。
2026-08-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A general perturbative approach for bead-based microswimmers reveals rich self-propulsion phenomena
对微型游泳者模型的研究对我们今天对自我推进原理的理解做出了重大贡献。然而，只有少数的microswimmer类型已服从分析建模，并进一步发展这种方法是必要的，以确定这些主动系统的关键特征。在这里，我们提出了一个一般的微扰计算方案的游泳组成的珠子相互作用的谐波势，驱动的任意力协议。水动力相互作用处理使用Oseen和Rotne-Pragner近似。我们验证了我们的方法，通过使用3珠组件和比较的结果与数值获得的运动方程的完全解决方案，以及与现有的分析模型的线性和三角形的游泳者的几何形状。在恢复力和游泳速度之间的关系时，我们的详细分析和受控的近似水平使我们能够在设备的远场流中找到质的差异。因此，我们能够识别出比先前模型中预测的更丰富的游泳者的行为。鉴于其通用性，该框架可以应用于任何游泳者的几何形状，驱动协议和珠子的相互作用，以及在许多游泳者的问题。
2019-07-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Geometric capture and escape of a microswimmer colliding with an obstacle
最近的实验的动机，我们认为附近的一个静止的球形障碍物的微型游泳者的流体动力学捕获。模型方程的模拟表明，游泳者接近一个小的球形胶体是简单的散射。相反，当胶体大于临界尺寸时，它就像一个被动的陷阱：游泳者沿着封闭的轨道被流体动力学捕获，并围绕胶体球无休止地运行。为了获得物理洞察到这个流体动力散射问题，我们解决它解析。我们提供的临界捕获半径，深度的“盆地的吸引力，”和散射角，这与我们的数值结果显示出很好的协议的表达式。我们还证明和合理化的强烈影响游泳流的对称性上的捕获效率。最后，我们给游泳者一个机会，通过考虑布朗，或积极的，扩散的影响，逃脱胶体陷阱。我们表明，在某些情况下，捕获时间是由一个Ornstein-Uhlenbeck过程，这导致在捕获时间分布，是很好地近似为逆高斯。预测再次与数值模拟相比非常有利。我们设想的应用程序的理论，生物修复，微生物分选技术，并在异质性或多孔环境中的细菌种群的研究。
2015-03-02 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effective swimming strategies in low Reynolds number flows
讨论了微观游动体在线性剪切流中的最优迁移策略。这两种情况下，其中游泳者位于大的距离，并在一个坚实的墙壁附近，考虑。结果表明，在不需要内能源或外部驱动的情况下，通过水流航行和游泳相结合的方式可以实现迁移。游泳者在所需的方向上移动所需的结构动力学进行了讨论，并分析了两个简单的模型，分别基于存在的弹性结构，和方向相关的摩擦，以控制由外部流引起的变形。在所有情况下，变形序列是一个概括的坦克踩踏运动制度中观察到的小泡在剪切流。给出了偏移速度随变形模式和振幅变化的解析表达式。热波动对推进的影响进行了讨论，并讨论了利用噪声来克服扇形定理对微型游泳者施加的限制的可能性。
2011-04-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn q-bio.OT
Low-Reynolds number swimming in a capillary tube
本文用边界元法研究了球形模型微生物在圆管中的低雷诺数运动。游泳者在半径与游泳者大小相当的管中通过切向或法向表面运动推进自身。流体动力学与管壁的相互作用显着影响的平均游泳速度和功耗的模型微生物。在平行于管轴游泳的情况下，运动速度总是降低（分别为）。增加）的游泳运动员与切线（分别）。正常）变形。在所有情况下，游泳所需的工作率都因禁闭而增加。游泳者没有力偶极子在远场一般遵循螺旋轨迹，仅引起流体动力学与管壁的相互作用，并在定性协议与最近的实验观察草履虫。拉力类型的游泳者总是在一个取决于其力偶极子强度的位置上表现出稳定的运动：具有弱偶极子（小α）的游泳者在管中心游泳，而具有强偶极子（大α）的游泳者在管壁附近游泳。相比之下，推进式游泳者和那些采用正常变形的人是不稳定的，最终会撞到管壁上。类似的动态观察到游泳到一个弯曲的管。这些结果可能是相关的未来设计的人工微泳在有限的几何形状。
2013-04-29 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Swimming efficiency in viscosity gradients
本文研究了粘度梯度对微型游动器运动效率的影响，发现推进型和拉拽型游动器在粘度梯度中表现出相反的效率变化，且均具有负粘性趋向性，同时形状和步态对动力学和效率起重要作用。
2024-05-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rheotaxis of microswimmers in colloid-laden channel flow
Indian Institute of Technology, Madras（印度马德拉斯理工学院）；Indian Institute of Science, Bengaluru（印度科学研究所班加罗尔）
采用球形方柱模型和多粒子碰撞动力学模拟，研究硬球胶体存在下通道流中微游泳者（推进型、牵引型或中性型）的运动行为，发现胶体使推进型游向中心上游、牵引型在低速时偏离中心，高速时所有游泳者被流携带并主导上游取向。
2026-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rapid behavioral transitions produce chaotic mixing by a planktonic microswimmer
尽管它们的形态多样性很大，但许多无脊椎动物具有相似的幼虫形态，其特征是纤毛带，受神经支配的纤毛阵列，便于游泳和进食。流体动力学表明，这些乐队应严格约束的行为策略提供给幼虫，然而，他们明显的普遍存在表明，这些乐队也赋予大量的适应性优势。在这里，我们使用流体动力学技术来研究“眨眼”，在许多无脊椎动物幼虫中观察到的一种不寻常的行为现象，在这种现象中，整个身体的睫状带迅速改变跳动方向，并产生局部流场的瞬时重排。使用一般的理论模型结合定量实验海星幼虫，我们发现，幼虫眨眼的自然节奏是流体动力学最佳诱导强烈混合的局部流体环境，由于瞬态流线交叉，从而最大限度地提高幼虫的整体摄食率。我们的研究结果与以前的假设一致，即滤食生物可能使用混沌混合动力学来克服粘性环境中的循环限制，并且它表明早期发散动物中复杂的神经驱动行为的物理基础。
2018-04-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Confinement induced three-dimensional trajectories of microswimmers in rectangular channels
该研究通过数值模拟与解析方法，系统探究了矩形通道中不同类型微游泳体的三维轨迹规律，揭示了流体动力相互作用的影响，并提出基于叠加原理的方法解释复杂轨迹的起源。
2023-11-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Alignment of elongated swimmers in a laminar and turbulent Kolmogorov flow
许多水生微生物能够游泳。在自然环境中，它们通常在存在流动的情况下这样做。近年来，已经表明，游泳和流动的相互作用可以引起有趣的和生物学相关的现象，如微生物在特定流动区域的积累和与流动特性的局部对齐。在这里，我们考虑一个机械模型细长microswimmer在Kolmogorov流，一个原型剪切流，在稳定和湍流条件下。通过直接数值模拟，在一个简化的随机设置的分析计算的支持下，我们发现，与当地的速度游泳方向的对齐是一个普遍的现象。我们还探讨了如何积累的微生物，通常在稳定的流动中观察到的，是由不稳定的波动的存在下修改。
2022-07-19 physics.flu-dyn
Hydrodynamic instabilities in a 2-D sheet of microswimmers embedded in a 3-D fluid
本研究针对嵌入三维不可压缩流体的二维微泳体片层构建动力学理论，发现平面流场等效可压缩，存在两种与体相不同的不稳定性，揭示约束对微泳体集体行为的关键作用。
2023-12-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Viscoelastic Effects on the Hydrodynamics of an Active Compound Particle
本研究通过解析方法分析粘弹性流体中活性复合粒子（squirmer-液滴系统）的水动力学，发现粘弹性效应与限制强度、粘度比共同决定游泳速度，且可增强或阻碍运动。
2025-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
