Binary pusher-puller mixtures of active microswimmers and their collective behavior
微泳者是微观尺寸的活跃粒子，通过使周围的流体运动来自我推进。根据它们引起的远场流体流动的类型，它们被分为推流器和拉流器。许多研究已经探索了推杆或推杆悬架之间的相似性和差异，但两者的混合物的行为仍有待研究。在这里，我们依赖于一个最小的离散microswimmer模型，粒子分辨，包括流体动力学相互作用，研究在这样的二元推拉混合物的取向排序。与现有文献一致，我们发现，我们的单分散悬浮液的推杆不显示对齐，而那些单独的拉自发地发展有序的集体运动。通过连续变化的二元混合物的组成，从纯拉系统开始，我们发现，有序的集体运动在很大程度上保持到推-拉组合物的比例约为1：2。令人惊讶的是，当被大多数的拉动器包围时，推动器比系统中的平均整体取向顺序所指示的更紧密地对齐。我们的研究概述了如何取向顺序可以调整在主动microswimmer悬浮液中所要求的程度掺杂与其他物种。
2019-07-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective transport efficiency of microswimmer swarms optimized by tactic run-tumble dynamics
本研究结合理论与模拟揭示随机奔跑-翻滚运动对微型游泳者群体流体动力夹带的影响，发现中等定向程度可使Péclet数表征的输运效率最优。
2025-09-29 cond-mat.soft 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
Curling Liquid Crystal Microswimmers: a cascade of spontaneous symmetry breaking
我们报告卷曲自推进常见的介晶化合物的水乳液。向列型液晶液滴在浓度高于临界胶束浓度的表面活性剂溶液中自推进，同时经历胶束增溶。我们分析了Hele-Shaw几何形状和可变浮力的3D设置中的轨迹。微滴内部的指向矢场和对流场之间的耦合导致了第二次对称破缺，从而引起二维卷曲运动。这是通过加热到各向同性相的非螺旋持续游动的可逆过渡来证明的。此外，自趋化性可以自发地打破反转对称性，导致螺旋轨迹。
2016-05-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Alignment-Induced Self-Organization of Autonomously Steering Microswimmers: Turbulence, Vortices, and Jets
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Peter Grünberg Institute（彼得·格林贝格研究所）；Jülich Centre for Neutron Science（于利希中子科学中心）；Institute for Advanced Simulation（高级模拟研究所）
通过介观流体动力学模拟，研究自转向极性微游泳者（推者和拉者）在流体动力学对齐下的集体运动，发现推者呈现主动湍流，拉者出现团簇、涡环和射流等丰富现象。
2024-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Synchronized Circular Motion of Optically Confined Marangoni Microswimmers
本文研究光控热毛细微泳者的集体运动，揭示 Marangoni 排斥作用在临界填充分数以上引发同步追逐，并通过手性形状实现周期性集体反向。
2025-07-28 cond-mat.soft
Control of microswimmers by spiral nematic vortices: transition from individual to collective motion and contraction, expansion, and stable circulation of bacterial swirls
由自推进单元组成的主动系统表现出从类布朗动力学到集体相干运动的迷人转变。游动细菌的旋转就是一个很好的例子。这项研究表明，作为一个螺旋漩涡图案的液晶环境控制细菌漩涡中的个体到集体的转变，并定义它们是扩张还是收缩。在稀释的分散体中，细菌沿着开放的螺旋轨迹游动，遵循预先施加的分子取向。轨迹是非极性的。当它们的浓度超过某个阈值时，细菌凝结成类似于稳定极限环的单极圆形漩涡。此集体圆周运动由定义背景指向矢的展曲与弯曲比的螺旋角控制。具有主导张开的涡旋使涡旋向中心收缩，而具有主导弯曲的涡旋使涡旋向外围扩展。具有展曲-弯曲宇称的45 °螺旋涡产生最稳定的漩涡。所有的动力学场景解释的细菌介导的模式化的被动环境和浓度和方向之间的耦合的流体动力学相互作用。获得如何通过微环境控制微型游泳者的个体和集体运动的知识可以帮助发展微观机械系统。
2020-06-22 cond-mat.soft
Chemotactic motility-induced phase separation
主动运动的粒子集体可以自发地分离成稀相和密相--这是一种被称为运动诱导相分离（MIPS）的迷人现象。MIPS对于无方向偏差的随机移动粒子进行了充分的研究。然而，许多形式的活性物质表现出集体趋化性，即沿着组成粒子自身可以产生的化学梯度的定向运动。在这里，使用理论和模拟，我们表明，集体趋化性强烈竞争MIPS -在某些情况下，逮捕或完全抑制相分离，或在其他情况下，产生根本性的新的动态不稳定性。我们建立了描述这种竞争的定量原则，从而有助于揭示和澄清执行趋化性的活性物质系统（从细胞到机器人）的丰富物理基础。
2023-01-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Enabling microrobotic chemotaxis via reset-free hierarchical reinforcement learning
该研究利用两级分层强化学习，实现了多连杆微型机器人的趋化导航，同时达成无需重置的部分可观测RL，为解决微型机器人强化学习的现实难题提供方案。
2024-08-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Symmetric mixtures of pusher and puller microswimmers behave as noninteracting suspensions
悬浮液的后方和前方驱动的微型游泳者沉浸在一种流体中，分别被称为"推动者“和"拉动者”，显示定性不同的集体行为：超过一个特征密度，推动者悬浮液表现出流体动力学不稳定性，导致集体运动称为主动湍流，这是一种不存在的现象，为拉动者。在这封信中，我们描述了集体动力学的二元推-拉混合动力学理论和大规模粒子分辨模拟。我们推导并验证了一个不稳定性判据，表明活跃湍流的临界密度随着牵引子的分数$χ$的增加而向更高的值移动，对于$χ\geq 0.5$则消失。然后，我们分析和数值计算表明，两点的1：1的混合物的流体动力学相关性等于那些非相互作用的游泳者的悬浮液。引人注目的是，我们的数值分析还表明，流体速度波动的全概率分布崩溃到一个非相互作用的系统，在相同的密度，游泳者-游泳者的相关性是严格缺席。因此，我们的研究结果表明，在1：1的推-拉混合物的流体速度波动是完全等于相应的无相互作用的悬浮液在任何密度，一个令人惊讶的取消没有对应的平衡长程相互作用系统。
2020-07-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dynamic Instabilities and Pattern Formation in Chemotactic Active Matter
University of California, San Diego（加利福尼亚大学圣地亚哥分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
本文研究了趋化行为对运动诱导相分离的影响，发现其可抑制或引发动态不稳定性，并通过分析确定了四种分支类型及模式振幅的解析表达式。
2026-03-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Stochastic Kinetic Theory for Collective Behavior of Hydrodynamically Interacting Active Particles
具有流体动力学相互作用的自推进粒子（微泳者）先前已被证明会产生长程有序现象。对这些集体现象的许多理论解释都与流体动力学或动力学方程中的不稳定性有关。通过将随机通量的平均场动力学方程，我们量化的动态悬浮液中的参数政权的确定性方程是稳定的。因此，我们可以计算非平凡的集体现象的空间相关性的方向和应力，以及增强扩散的示踪粒子。我们在这里的分析主要集中在二维系统上，尽管我们也展示了我们的框架如何发生三维示踪剂的超扩散。
2017-04-11 cond-mat.soft
Neuroevolution of Decentralized Decision-Making in N-Bead Swimmers Leads to Scalable and Robust Collective Locomotion
该研究利用神经进化优化N珠泳者各身体部位的分散决策，揭示可扩展、抗形态缺陷且可直接用于人工微型泳者的高效集体运动策略。
2024-09-03 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
From Flocking to Condensation: Collective Dynamics in Binary Chiral Active Matter
本文研究相反手性自推进颗粒的二元混合物，揭示弱手性下的全局混合群集相与中等手性下因手性和自推进竞争形成的凝聚相。
2025-08-30 cond-mat.soft
Reinforcement Learning of Artificial Microswimmers
生命系统的行为是基于它们通过与环境的相互作用而获得的经验[1]。这种经验储存在细胞和生物体的复杂生化网络中，以提供感知到的情况与在这种情况下该做什么之间的关系[2-4]。在人工系统中实现这样的过程已经通过不同的机器学习算法实现[5，6]。然而，对于微观系统，例如模仿推进作为生命系统的基本功能之一的人工微泳者[7，8]，这种自适应行为和学习过程迄今尚未实现。在这里，我们介绍了机器学习算法的人工microswimmer的运动与混合的方法。我们在现实世界的环境中采用自我热泳人工微泳者[9，10]，这些微泳者由实时显微镜系统控制，以引入强化学习[11-13]。我们演示了强化学习的一个标准问题的解决方案-网格世界中的导航。由于微型游泳者的大小，如果发现由布朗运动引入的噪声对学习过程和学习行为内的动作都有相当大的贡献。我们将学习过程扩展到多个游泳者和信息共享。我们的工作代表了第一步的学习策略整合到微系统，并提供了一个平台，为适应性和集体行为的出现的研究。
2018-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Two-phase hydrodynamic model of active colloid motion
本文提出了一种两相流体模型，用于模拟活性胶体的集体运动及布朗运动之间的过渡。
2025-12-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergent collective chemotaxis without single-cell gradient sensing
本研究提出一种无需单细胞梯度感知的集体趋化新机制，指出受趋化因子调控的运动接触抑制可使细胞团产生定向运动，并给出解析公式与验证方法。
2015-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Clustering and emergent hyperuniformity by breaking microswimmer shape and actuation symmetries
该研究针对活性胶体系统中微观参数对集体动力学调控机制不明的问题，以扁球形微泳体为对象，通过动力学理论与边界元法证明打破形状和驱动对称可形成稳定簇及大尺度超均匀结构，揭示了纯流体动力学自组织机制，为材料设计提供新策略。
2025-06-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
External chemical gradient leads to efficient swimming of chiral swimmers
外部梯度能强烈影响微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个流体动力相互作用的自推进手征游泳者的行为，在低雷诺数制度下，外部线性化学梯度的影响下。我们使用广义蠕动模型称为手征蠕动，一个球形的身体与不对称的表面滑动速度，代表游泳者。我们发现，外部梯度有利于游泳者之间的吸引力，并在某些情况下，导致一个有界的状态，其中游泳者以高度同步的方式移动。此外，由于这种协作运动，与单个游泳者相比，游泳者有效地到达化学目标。本研究有助于理解手性游泳分子的集体行为，并有助于设计用于靶向给药的合成微游泳分子。
2023-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multi-species dynamical density functional theory for microswimmers: derivation, orientational ordering, trapping potentials, and shear cells
微泳者通常在复杂的环境中工作。在生物系统中，不同的物种通常同时存在并相互作用。在这里，我们推导出一个（时间依赖性）粒子尺度的统计描述，即动态密度泛函理论，这样的多物种系统，扩展现有的单组分微泳悬浮液的工作。特别是，我们的理论结合了外部电位的影响，但也空间和流体动力学之间的相互作用游泳。对于后者，使用先前引入的基于力偶极的最小（推或拉）微型游泳器模型。作为我们的理论的一个限制性的情况下，流体动力学相互作用的主动和被动粒子的混合物被捕获。在推导理论之后，我们将其应用于不同的平面游泳者配置。首先，这些是二元推-拉混合物在外部陷阱。在所考虑的情况下，我们发现，大多数物种强加给少数物种的行为。其次，对于无约束的二元推-拉混合物，线性稳定性的取向无序状态对全球极性取向秩序的出现（从而紧急集体运动）进行了测试分析。我们的统计方法预测，定性地与以前的粒子为基础的计算机模拟，一个阈值的分数的拖拉机和他们的推进强度，让整体集体运动的出现。第三，我们让被动的胶体颗粒形成剪切细胞的边界，在它们的内部有限制的主动微泳者。驱动被动粒子，然后有效地施加剪切流，持续作用于内部的微泳者。他们的行为让人想起了一个圆圈游泳者，尽管游泳半径不同。
2019-08-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Field-Theoretic Model for Chemotaxis in Run and Tumble Particles
在本文中，我们开发了一个领域的理论描述运行和翻滚趋化性的基础上，修改捕获取向有序的晶体材料的密度泛函描述。我们发现，这个框架，其内置的多粒子相互作用，软核排斥和弹性是理想的描述连续集体阶段与粒子分辨率，但扩散的时间尺度。我们表明，我们的模型表现出颗粒聚集在一个外部施加的恒定的吸引剂领域，如观察到的趋光或趋热剂。我们还表明，该模型通过自趋化性捕获粒子聚集，这是一种重要的机制，有助于群体依赖的细胞相互作用。
2020-11-09 cond-mat.soft
Chemotactic smoothing of collective migration
集体迁移--许多自我推进的代理人的定向、协调运动--是活性物质所表现出的一种迷人的涌现行为，对生物系统具有关键的功能意义。广泛的研究已经阐明了这种现象可能出现的不同方式。然而，当一个群体面临在复杂环境中不可避免地出现的扰动时，集体移徙如何能够持续下去，人们知之甚少。在这里，通过结合实验和模拟，我们描述了一种机制，集体迁移人口平滑大规模的扰动，在他们的整体形态，使他们的成分继续迁移在一起。我们专注于典型的例子，大肠杆菌的趋化性迁移，其中细胞的正面移动通过定向运动，或趋化性，在响应一个自我生成的营养梯度。我们确定了两种不同的模式，其中趋化性影响人口的形态：细胞在不同的位置沿前线迁移在不同的速度，由于空间变化（i）在当地的营养梯度和（ii）的能力，细胞感测和响应当地的营养梯度。虽然第一种模式是不稳定的，但第二种模式是稳定的，并占主导地位，最终推动总体人口的平稳发展，并使集体移民得以持续。这个过程是自主的，不需要任何外部干预;相反，它是个体细胞接收外部信号的方式的群体规模的结果。因此，我们的研究结果提供了见解，预测，并可能控制，集体迁移和形态的细胞群和各种其他形式的活性物质。
2021-01-12 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Pseudo-giant number fluctuations and nematic order in microswimmer suspensions
本文通过三维pusher微游泳体悬浮液数值模拟，发现集体运动转变以上出现的超高斯数涨落实为仅存在于向列斑块尺度内的“伪GNFs”，揭示生物活性物质中的增强密度涨落是瞬态效应。
2025-08-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Chemokinesis-Driven Accumulation of Active Colloids in Low-Mobility Regions of Fuel Gradients
许多运动细胞表现出迁移行为，如趋化性（沿化学梯度向上或向下运动）或趋化作用（当速度取决于浓度时），这使它们能够执行重要功能，包括免疫反应，卵子受精和捕食者逃避。这些启发了研究人员开发自推进的胶体类似物，以生物微泳者，称为活性胶体，执行类似的壮举。在这里，我们研究的行为半铂半金（Pt/Au）自推进棒在过氧化氢燃料和盐（这往往会减缓棒）的反平行梯度。布朗动力学模拟，一个福克-普朗克理论模型，和实验表明，杆积累在低速（盐丰富，过氧化物贫乏）地区，而不是因为趋化性，但因为化动。趋化作用与趋化作用的不同之处在于不需要定向感应或重定向能力。模拟，模型和实验之间的协议支持在这个系统中的作用的化学运动。这项工作提出了一种新的策略，利用化学运动的影响积累的能动胶体在所需的地区。
2021-02-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.chem-ph
Phase Separation and Coexistence of Hydrodynamically Interacting Microswimmers
球形微泳者的集体行为的一个显著特征是，对于足够强的自推进，它们相分离成与低密度无序环境共存的密集簇。扩展我们以前的工作，我们使用的蠕动作为一个模型的游泳者和基于粒子的多粒子碰撞动力学模拟方法，探讨流体力学的影响，他们的相行为在准二维几何形状。的粗化动力学的相分离状态是扩散的中间时间制度，然后由最后的弹道致密化的致密集群。我们确定了Péclet数与密度的相图中的双结点线。有趣的是，随着平均密度或致密团簇尺寸的增加，气体双节点会向更小的密度移动，我们使用最近引入的压力平衡来解释[S。C. Takatori等人，物理修订信函113，028103（2014）]通过流体动力学贡献扩展。此外，我们发现，对于推和拉的双节线转移到更大的Péclet数相比，中性蠕动。最后，当降低Péclet数时，致密相从六方“固体”转变为无序的“流体”状态。
2016-10-28 cond-mat.soft
Sedimentation and structure of squirmer suspensions under gravity
本研究利用DPD粗粒化模型模拟重力场下微型游泳者悬浮液沉降，发现随重力增强底层转变为六方晶体有序态，且puller比pusher更易重排并维持底层六方有序性。
2024-11-20 cond-mat.soft
Swarm Hunting and Clusters Turning Inside Out in Chemically Communicating Active Mixtures
大量的微生物产生分子，通过复杂的信号机制，如群体感应和趋化性进行通信。生物多样性是巨大的，但合成无生命的胶体微游泳者模仿微生物通信（合成趋化性），并可能被用来探索集体行为超越一个物种的限制，在更简单的设置。在这项工作中，我们结合基于粒子和连续模拟以及线性稳定性分析，并研究了两个趋化物种的物理极小模型。我们观察到一个丰富的相图，包括一个“狩猎群阶段”，其中两个物种自我分离，并形成成群，追求，或狩猎对方，和一个“核壳簇阶段”，其中一个物种形成一个密集的集群，这是由其他物种的粒子（波动）电晕包围。一旦形成，这些集群可以动态地从内到外，代表着“物种逆转”。这些结果为微生物和活性胶体的集体行为提供了一条物理途径，迄今为止，这种行为只发生在昆虫或甲壳类动物等相对较大和复杂的动物身上。
2019-09-30 cond-mat.soft
Spontaneous vortex formation by microswimmers with retarded attractions
无生命粒子的集体状态通过物理相互作用和热运动自组装。尽管有一些现象学上的相似之处，包括临界性的特征，但将能动的代理人绑定到羊群，牛群或群中的自主动力学允许更丰富的行为。低维模型已经暗示了感知信息、决策和反馈在这方面所起的关键作用，这意味着相应的相互作用不可避免地被推迟。在这里，我们提出的实验球形布朗microswimmer延迟自我推进到一个空间固定的目标。我们观察到一个自发对称性破缺的瞬态手征动力学状态和随之而来的临界行为，不依赖于多粒子协同。通过与单个运动员的随机延迟微分运动方程的比较，我们指出延迟诱导的游泳运动员与他们自己的过去的有效同步是其关键机制。越来越多的游泳者自我组织成具有顺向和逆向轨道运动的层，通过空间和流体动力学相互作用来同步和稳定。我们的研究结果表明，即使是最简单的迟滞非互惠的相互作用，可以促进新兴的复杂的适应行为在相对较小的合奏。
2022-06-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrodynamics determines collective motion and phase behavior of active colloids
我们研究的集体运动的封闭的球形microswimmer，如活性胶体，我们的模型由所谓的蠕动。为了模拟包含热噪声的流体动力学流场，我们采用了多粒子碰撞动力学方法。我们证明，流体动力学近场之间的蠕动，以及蠕动和边界墙至关重要地决定了他们的集体运动。特别是，随着密度的增加，我们观察到一个明确的相分离成一个类似气体和集群相的中性蠕动，而强大的推和拉更逐渐接近六角形集群状态。
2013-09-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Auto-chemotactic micro-swimmer suspensions: modeling, analysis and simulations
微生物可以优先沿着化学引诱物的梯度定向和移动（即，chemotax），而许多微生物的菌落可以响应于它们自身产生的化学引诱剂而共同经历复杂的动力学。对于殖民地或群体的微型游泳者，我们调查如何“自动趋化”的反应，应该导致游泳者聚集的影响，由集体游泳所产生的非平凡的流体流动。为此，我们考虑趋化性模型的基础上的流体动力学理论的能动悬浮液，完全耦合到化学引诱剂的生产，运输和扩散。各向同性有序悬浮液的线性分析揭示了由于独立于游泳者类型发生的趋化性引起的聚集不稳定性，以及当游泳者是“推动者”时的流体动力学不稳定性。然而，非线性模拟表明，流体动力学相互作用可以显着修改的chemotactically驱动的聚集动力学悬浮液中的“推”或“拉”。这些耦合相互作用在殖民地中产生的动力学的不同状态进行了讨论。
2013-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective self-optimization of communicating active particles
寻求如何集体自组织，以最大限度地提高社会群体成员的生存机会，需要在最大限度地提高个人和群体的福祉之间找到一个最佳的妥协。在这里，我们开发了一个极小模型描述活跃的个人消费或生产，并响应共享资源，如氧气浓度的趋氧细菌或温度场的企鹅，同时敦促一个最佳的资源价值。值得注意的是，这个模型可以近似为吸引-排斥模型，但一般来说，它具有多体相互作用。虽然前者阻止了一些个体接近共享资源场的最优值，但集体多体相互作用诱导了非周期性模式，允许群体集体自我优化。可以说，提出的最佳场为基础的集体相互作用代表了一个通用的概念，在界面上的活性物质物理学，集体行为，和微生物的趋化性。这个概念可能作为一个有用的成分，以优化合成活性剂的合奏或帮助揭示某些社会群体用来最大限度地提高生存机会的通信规则的方面。
2021-12-07 cond-mat.soft nlin.AO nlin.PS
Anti-Diffusion in an Algae-Bacteria Microcosm: Photosynthesis, Chemotaxis, and Expulsion
本研究通过实验与理论探究枯草芽孢杆菌与无运动能力莱茵衣藻突变体的共培养体系，发现光照下细菌的趋化性涌入会引发藻类排斥效应，其机制与恒星湍流抗磁性数学相关。
2023-12-13 cond-mat.soft q-bio.CB
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
Collective Sedimentation of Squirmers under Gravity
流体动力学相互作用的活性粒子显示出各种各样的涌现的集体现象。我们用蠕动体模拟球形微泳者，并利用多粒子碰撞动力学方法模拟流体流动，探讨了在强引力作用下数千个蠕动体的集体行为。沉积剖面取决于游动速度与沉积速度之比以及蠕动类型。它显示了在底部的紧密堆积的蠕动层和一个高度动态的区域，指数密度依赖于顶部。蠕动的平均垂直方向强烈依赖于高度。当游动速度大于沉降速度时，蠕动体在指数区域表现出较强的对流。我们量化的对流强度和对流细胞的程度由垂直电流密度和电流偶极子，这是大中性蠕动，以及为弱推和拉。
2017-08-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Collective behavior based on agent-environment interactions
该研究提出了一种基于代理与环境相互作用的模型，通过持久随机游走和趋化作用产生复杂集体行为，揭示了无直接通信下涌现的时空模式形成机制。
2026-01-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stationary shapes of deformable particles moving at low Reynolds numbers
暑期学校的讲座笔记“微型游泳者-从单粒子运动到集体行为”，由DFG优先计划SPP 1726组织（Forschungszentrum J{ü}lich，2015）。
2015-10-05 cond-mat.soft
Flow-polarity decoupling and universal mobility enhancement in dense bacterial active fluids
The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）；Hainan University（海南大学）
通过同时成像细胞体、鞭毛和流场，发现密集3D细菌活性流体中细胞极性随机分布但溶剂流呈现介观有序，流-极性解耦源于各向异性微游泳者力-偶极假设的失效，近场相互作用产生新活性力，增强自平流迁移率。
2026-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamic Collective Effects of Active Protein Machines in Solution and Lipid Bilayers
生物细胞中的细胞质和生物膜含有大量周期性改变其形状的蛋白质。它们是分子机器，可以作为分子马达发挥作用，或者在细胞中执行许多其他任务。我们分析了由活性蛋白质诱导的流体动力学流动对溶液或膜中其他被动分子的影响。我们发现，被动粒子的扩散常数大大增强。此外，当存在活性蛋白梯度时，发生被动颗粒的趋化性样漂移。在脂质双层中，这种效应是强烈非局部的，因此膜中的活性内含物有助于扩散增强和漂移。结果表明，在非平衡条件下，含活性蛋白质机器的系统中被动粒子的输运性质不同于热平衡条件下的系统。
2015-03-09 cond-mat.soft
Thermotaxis of Janus Particles
自主微泳者的相互作用对运动活性物质集体态的形成起着重要作用。我们详细研究了常见的微游泳器设计的双面Janus球与半球由不同的材料制成。它们的化学和物理表面性质可以被定制以微调它们的相互吸引、排斥或对齐行为。为了系统地研究这些效应，我们监测了由光学加热的金属纳米粒子产生的外部温度场中单个金帽Janus粒子的动力学。我们量化的Janus粒子的取向相关的排斥和对齐，并解释它在一个简单的理论模型的诱导热渗透表面通量。该模型揭示了粒子的角速度完全由Janus粒子的半球和它们的电泳迁移率对比之间的赤道上的温度分布决定。此外，外部温度场的畸变，其异质性的导热性被证明打破了问题的明显对称性。
2021-03-28 cond-mat.soft
The Physics of the Vicsek Model
在这些为Forschungszentrum Juelich的2015年Microswimmers暑期学校准备的讲义中，我讨论了着名的集体运动的Vicsek模型及其主要特性。特别是，我讨论了它的算法实现和它的普适性类的基本属性。我目前的结果从数值模拟和坚持对称性和守恒定律所发挥的作用。分析性的论点以一种容易理解和简化的方式提出，但为更高级的阅读提供了充足的参考资料。
2016-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Alignment interaction and band formation in assemblies of auto-chemorepulsive walkers
研究自化学排斥粒子的集体行为，引入晶格模型描述其相变，发现化学介导的对齐相互作用及自发形成的恒速行进稳定带结构。
2023-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Emergent behavior in active colloids
活性胶体是微观粒子，其通过将从其环境中提取的能量转化为定向运动而在粘性流体中自推进。我们首先解释如何artificial microswimmer向前移动产生近表面的流场通过自泳或自诱导Marangoni效应。然后，我们讨论了通用功能的动态单个活性胶体在散装和禁闭，以及在重力，场梯度和流体流动的存在下。在第三部分中，我们回顾了活性胶体悬浮体的涌现集体行为，着重于它们的结构和动力学性质。在总结实验观察的基础上，我们对集体运动的活性胶体模型的进展进行了概述。虽然活跃的布朗粒子被大量用于研究大尺度的集体动力学，但需要更先进的方法来探索流体动力学和泳动粒子相互作用的重要性。最后，提出了量化涌现集体行为的物理方法。
2016-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Chemotaxis-Driven Instabilities Govern Size, Shape and Migration Efficiency of Multicellular Clusters
本研究通过计算建模与体外实验结合，揭示了多细胞团簇在趋化迁移中由局部形状依赖速度差驱动的失稳机制，该失稳限制了团簇大小并优化了迁移速度，为癌症转移等生理过程提供了物理见解。
2025-05-30 cond-mat.soft q-bio.TO
Hydrodynamic instabilities and collective dynamics in activity-balanced pusher-puller mixtures
生活在微流体环境中的微生物通常形成多物种群，在那里它们可以利用集体运动来实现增强的运输和传播。然而，在这些系统中观察到的多尺度不稳定动力学的起源，普遍缺乏物理上的理解。在这里，我们建立了一个计算模型来研究二元悬浮液的后方和前方驱动的microswimmer，或分别所谓的“推”和“拉”粒子，具有不同的人口和游泳速度。我们进行直接的粒子模拟，揭示集体系统动力学是可能的，即使在“活动平衡”的混合物，产生近零的平均额外应力的情况下。我们首先构建了一个连续动力学模型来描述初始瞬态期间，当系统是近均匀各向同性，然后进行线性稳定性分析，以揭示系统的有限波长流体动力学不稳定性，与纯推/拉悬浮液的长波长不稳定性。然后，我们进行了细长体离散粒子模拟，以解决短时间的不稳定性和长期的动态，其功能非平凡的密度波动和空间相关的运动，不同于那些单物种。
2022-02-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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 phases in overdamped magnetic self-propelled spherocylinders
Universidad de Chile（智利大学）；Universidad Adolfo Ibáñez（阿道夫·伊巴涅斯大学）
通过将磁性相互作用建模为双单极子模型，结合粒子伸长几何，发现系统出现气体、极性群、链、涡旋排列和锁定二聚体等丰富集体相，为控制磁性活性物质相干态提供了实验可调参数。
2026-06-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Asymmetry-Induced Chiral Dynamics in Coupled Self-Propelled Robots: Spinning and Circular Motion
Indian Institute of Technology Mandi（印度理工学院曼迪分校）；Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）
研究两个由弹簧耦合的自推进活性布朗机器人系统中几何不对称如何产生净扭矩，导致持续旋转运动，并展示三种动力学状态：奔跑-翻滚、圆周轨迹和自旋。
2026-07-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Collective behavior of penetrable self-propelled rods in two dimensions
自推进粒子的集体行为在运动性测定中在微尺度上观察到游泳者如精子和细菌以及蛋白质细丝。这类系统的性质既取决于它们的维数，也取决于它们粒子之间的相互作用。我们引入了一个二维自推进杆模型，该模型通过分离位移的伦纳德-琼斯势相互作用。由于有限的势垒，棒能够交叉。这个模型使我们能够有效地模拟系统的自推进杆，有效地在二维移动，但偶尔可以逃脱到第三维，以通过对方。我们的准二维自推进粒子描述了一类活跃的系统，其中包括microswimmer靠近墙壁和细丝推进基板上。利用蒙特卡罗模拟，我们首先确定了被动棒的各向同性相变。使用布朗动力学模拟，我们的特点团簇形成的自推进棒作为一个功能的推进强度，噪音，和能量障碍。与具有无限势垒的棒相反，推进强度的增加不仅有利于对准，而且有效地降低了阻止棒交叉的势垒。因此，我们找到了一个集群窗口，在中等推进强度的最大集群大小。
2014-01-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
How to capture active particles
对于许多应用，重要的是以受控的方式捕获自主导航的微生物和人造微泳者的集合。在这里，我们提出了一个有效的陷阱，集体捕捉自推进的胶体棒。通过二维计算机模拟，我们表明，一个静态的人字形壁代表一个捕获装置的最佳边界。它的捕捉效率可以通过改变捕捉器的开口角度来调节。对于增加的角度，有一个序列的三个紧急状态对应的部分，完全，和没有陷阱。捕获“相图”描绘出捕获条件，在该条件下，以给定密度捕获自推进粒子是最佳的。
2012-02-01 cond-mat.soft
Chemotactic behavior for a self-phoretic Janus particle near a patch source of fuel
本文研究Janus粒子在燃料贴片源附近的趋化行为，揭示释放与消耗速率及泳动迁移率对运动的调控，并发现粒子可稳定悬停于贴片上方。
2024-06-15 cond-mat.soft physics.chem-ph
Collective behavior of squirmers in thin films
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）
使用蠕动者模型和耗散粒子动力学方法，研究薄膜中不同体积分数、运动类型和旋子偶极流场下微型游泳者的集体运动，揭示了各向异性形状、流体动力学相互作用和壁面效应对集体行为的影响。
2024-01-18 cond-mat.soft physics.comp-ph 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
Distinguishing Advective and Powered Motion in Self-Propelled Colloids
具有催化作用的胶体粒子的自驱动运动提供了一个令人信服的活性物质的例子，即远离平衡的单粒子和集体行为的系统。这类系统的长时间、长距离行为特别令人感兴趣，因为它将它们各自的微观行为与宏观现象联系起来。在这类分析中，必须区分由细微的平流效应引起的运动-这种效应也有很长的时间尺度和长度尺度-和由内在动力运动引起的现象。在这里，我们开发了一种方法来分析动力胶体的平移和旋转运动的统计特性，以区分，例如，主动趋化性从被动平流散装流量。
2017-09-17 cond-mat.soft
