Feeders and Expellers, Two Types of Animalcules With Outboard Cilia, Have Distinct Surface Interactions
本文根据外侧纤毛产生的旋流方向将拉式微型游动者分为喂食型和排出型,并通过轮虫与绿藻实验证明两类生物在近壁面分别表现为稳定附着和散射,揭示了表面相互作用的新机制。
2024-06-29 cond-mat.soft q-bio.CB
Eukaryotic swimming cells are shaped by hydrodynamic constraints
本研究借助BOSO-Micro数据库,从流体动力学角度验证真核游泳细胞形态的最优性:鞭毛振幅波长比接近推进效率最优值,纤毛虫纵横比接近阻力最小化数值,证明流体约束对细胞形态的关键塑造作用。
2023-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Role of activity and dissipation in achieving precise beating in cilia: Insights from the rower model
SRM University - AP(SRM大学-安得拉邦分校);Institute of Physics(印度物理研究所);Homi Bhabha National Institute(霍米·巴巴国立研究所)
通过划船模型研究纤毛活动与耗散对精确节律的影响,揭示了振荡精度与活动性、振幅的关系,并发现不对称性降低精确性。
2026-02-24 cond-mat.soft
Hydrodynamic Synchronization between Objects with Cyclic Rigid Trajectories
由长程流体动力学相互作用引起的同步作为纤毛和鞭毛协调跳动背后的候选机制引起了人们的注意。本文考虑低雷诺数限制下的流体动力学同步的极小模型。该模型由转子组成,每个转子被假定为在周期性变化的驱动力下形成固定轨迹的刚性珠。本文通过线性分析,导出了双转子同步的充要条件。我们还推导出一个非线性演化方程的相位差,这是减少到最小化的一个有效的潜力。计算了各种轨迹形状和几何形状(无论是散装或substrated)的有效潜力,为确定系统的稳定和亚稳态。有限大小的轨迹诱导的电位的不对称性,这也依赖于敏感的轨迹的倾斜。我们的研究结果表明,纤毛或鞭毛的灵活性是{ \it不}一个必要的同步运动,在以前的预期相反。我们讨论了直接实现该模型的可能性,并通过光驱动胶体验证了我们的结果。
2012-11-23 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Synchrony and symmetry-breaking in active flagellar coordination
生物表现出显著的运动机制多样性,进化出专门与环境相互作用的结构。在绝大多数情况下,运动行为,如飞行,爬行和跑步,是由神经系统协调的。令人惊讶的是,微生物可以使用称为纤毛和鞭毛的多个快速移动的细胞突起来制定类似的游泳运动步态。在这里,我展示了不可逆性,可逆的节奏,和步态mechanosensitivity在藻类鞭毛,揭示运动模式的积极性质。除了保持自由游泳的步态,我表明,藻类鞭毛装置的功能作为一个中央模式发生器,编码的殴打网络中的每个鞭毛在一个可区分的方式。后者为细胞重定向提供了一种新的破膜机制。这些发现意味着产生和协调复杂运动模式的能力不需要神经回路,而是简单的单细胞生物中存在的最小成分。
2019-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Axonemal bending stiffness of $\mathit{Chlamydomonas}$ cilia implies single-motor forces above $5\,\mathrm{pN}$
TU Dresden(德累斯顿工业大学);Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden(德累斯顿大学生命物理卓越集群);B CUBE, TU Dresden(德累斯顿大学B CUBE中心)
本研究通过衣藻轴丝弯曲刚度估算动力蛋白马达的峰值力下限,发现其超过典型失速力,暗示刚度或集体力机制需重新评估。
2026-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Motility and self-organization of gliding Chlamydomonas populations
该研究针对表面附着的莱茵衣藻滑行运动与种群自组织问题,通过实验结合Minkowski泛函分析,发现纯力学模拟无法解释其非随机构型,引入鞭毛力学感知极简认知模型后可与实验定量吻合,揭示了滑行运动对衣藻种群聚集和自组织的促进作用。
2022-08-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamic Instabilities Provide A Generic Route To Spontaneous Biomimetic Oscillations In Chemomechanically Active Filaments
将化学能转化为机械运动的非平衡过程使生物体能够运动。由分子马达的能量转换驱动的一束束不可伸展的细丝形成了像纤毛和鞭毛这样的微米级运动引擎的基本组成部分。在最近的合成活性细丝实验中,纤毛样运动的模仿支持了通用物理机制可能足以产生这种运动的想法。在这里,我们表明,从理论上讲,不受力和无扭矩的化学机械活性流引起的流体动力相互作用的不稳定效应之间的竞争,和非线性弹性的稳定效应,提供了一个通用的路线,主动丝自发振荡。这些振荡,让人想起原核和真核鞭毛运动,而不必调用结构复杂性或生化调节。这种极小性意味着,仿生振荡,以前只观察到复杂的束的活性丝,可以复制在简单的链的通用chemomechanically活性珠。
2013-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Elastohydrodynamic Synchronization of Adjacent Beating Flagella
现在已经确定,真核生物的鞭毛或纤毛的相邻跳动对通常在相位上同步。大量的证据支持这一假设,即活动细丝之间的流体动力学耦合,结合波形顺应性,提供了一个强大的同步机制。这种弹性流体动力学机制已被纳入“珠-弹簧”模型,其中鞭毛由径向弹簧束缚的微球体代表,因为内力驱使它们绕轨道运动。虽然这些低维模型再现了同步现象,但它们的参数并不容易与鞭毛的参数相关。更现实的模型,反映轴丝的弹性和主动力的产生采取四阶非线性偏微分方程的形式。虽然计算研究已经表明同步性,由这样的模型所支配的附近的细丝之间的流体动力学耦合的影响已被理论上只在鞭毛间距离$d$大的鞭毛长度相比$L$的制度检查。然而,在许多生物学情况下,$d/L \ll 1$。在这里,我们首先提出了一个渐近分析的两个细丝之间的水动力耦合的制度$d/L \ll 1$,并发现耦合的形式是独立的细节的内力,支配的细丝的运动。这种分析类似于涡丝运动的局部感应近似,并推广到互感的情况。要了解如何耦合机制导致同步的扩展对象,我们引入了一个启发式模型鞭毛跳动,一个单一的四阶非线性PDE的形式是来自对称性的考虑,弹性物理,和过阻尼性质的动态。该模型的分析和数值研究说明了如何通过渐近耦合实现两个灯丝之间的同步。
2016-10-11 cond-mat.soft q-bio.CB
Response of Worm-like Chains to Traveling-Wave Active Forces
本文提出半柔性鞭毛在行波主动力下的简化理论,通过将鞭毛建模为蠕虫状链,系统分析了外部扰动与固有弯曲刚度的竞争如何塑造类似真核生物轴丝的拍打动力学,并确定了影响鞭毛运动的关键参数。
2024-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Maximum in density heterogeneities of active swimmers
悬浮液的单细胞microswimmer,如鞭毛细菌或游动藻类表现出自发的密度异质性在足够大的浓度。根据生物致动附件(即鞭毛或纤毛)的相对位置,微泳者的推进机制可以分为两类:(i)推动器,如\textit{E. coli}细菌或精子,其在其后部产生推力,将流体推离它们并将其自身向前推进;(ii)牵引器,如微藻\textit{Chlamydomonas reinhardtii},其具有连接到其前部的两个鞭毛,将流体拉入,从而在其前部产生推力。我们介绍了一种新的生物microswimmer模型,创建相应的microswimmer的流场,并考虑到游泳者的身体和中风平均鞭毛的形状各向异性。通过采用多粒子碰撞动力学,我们直接耦合到流体的游泳者的动力学。我们的非平衡相图的特点,作为填充分数和Péclet数是不同的,并发现密度不均匀性的分布中的拉和推,由于流体动力学的不稳定性。我们发现一个最大程度的集群在中间填充分数和大Péclet数导致的竞争的流体动力学和空间的相互作用之间的游泳者。我们开发了一个分析理论,支持这些结果。该最大值可能代表微生物在其环境中定殖的最佳值。
2017-11-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Fluid Memory Enhances Active Beating via Back-and-Forth Motion
SRM University-AP(SRM大学安得拉邦分校)
研究粘弹性流体中胶体模型的随机动力学,发现来回跳动可利用流体记忆使跳动频率增加,单向旋转运动则相反,揭示了主动振荡器利用流体记忆的机制,为聚合物流体中鞭毛跳动增强提供解释。
2026-07-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrodynamic synchronisation in strong confinement
细胞附属物赋予运动性,如鞭毛或纤毛,已知同步其周期性节拍。同步的起源是长距离流体动力学相互作用与物理机制的结合,允许这些生物振荡器的相位进化。两个这样的机制已经确定了以前的工作,弹性的周期性轨道或振荡驱动的相位相关的生物强迫。为了帮助揭示生物学中最重要的流体动力学同步的物理机制,我们从理论上研究了强约束对流体动力学同步有效性的影响。我们使用极小模型,其中附属物被建模为刚性球体,被迫沿着刚性表面附近的圆形轨迹移动。强限制是通过添加第二个附近的表面,平行于第一个,其中表面之间的距离是远远小于纤毛之间的典型距离建模。我们分别计算约束的弹性顺应性和力调制机制的同步动力学的影响,并比较我们的结果的情况下,没有限制。将我们的研究结果应用于结纤毛的生物相关情况,我们表明,力调制是一种机制,导致强约束下的相位锁定状态,非常类似于那些没有约束的弹性顺应机制的差异。因此,我们的研究结果指出同步力调制的鲁棒性,这是生物动力学的一个重要特征,表明它可能是节点纤毛阵列中最重要的物理机制。我们进一步研究了初级纤毛的不同情况,并表明在这种情况下,机制的鲁棒性差异并不明显,但仍然有利于力调制。
2021-04-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Twist and turn. Elastohydrodynamics of microscale active fibres
本文介绍了微尺度活性纤维的弹性流体动力学建模,探讨了影响生物纤维推进模式的特征、理论框架及活性系统实例。
2024-10-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Colloidal transport by active filaments
增强胶体运输超出所施加的限制扩散通常是通过外部领域。在这里,我们证明了弹道输运的胶体球使用内部能源所提供的一个附加的活性丝。后者被建模为一个化学机械活性珠连接的潜力,强制半灵活性和自我回避链。流体流动所产生的活性珠和他们调解的力量明确考虑过阻尼运动方程描述的胶体长丝组件。运输的速度和效率取决于细丝的动态构象状态。我们的特点,这些国家使用细丝扭动作为序参量,并确定产生最大的速度和效率的运输。这里报道的运输机制有一个显着的相似之处鞭毛推进的微生物,这表明其在仿生系统中的实用程序。
2016-12-24 cond-mat.soft
Continuum-statistical dynamics of colloidal suspensions under kinematic reversibility
International School Michel Lucius(米歇尔·卢修斯国际学校)
提出线性响应理论,通过洛伦兹互易定理在运动可逆性下的应用,建立胶体运动中昂萨格互易性的连续统力学起源,并推导出胶体扩散的所有非平衡贡献。
2026-05-31 cond-mat.soft
Physics of Microswimmers - Single Particle Motion and Collective Behavior
微生物在流体中的运动和运输是生命的一个重要方面。寻找食物,对光的定位,后代的传播,以及殖民地的形成,只有通过运动才有可能。在微尺度下的游动发生在低雷诺数下,其中流体摩擦和粘度超过惯性。在这里,进化实现了克服甚至利用阻力的推进机制。突出的推进机制是许多细菌利用的旋转螺旋鞭毛,以及精子和藻类利用的真核鞭毛的蛇状或鞭子状运动。对于人工微泳者,可以采用将化学能或热转换成定向运动的替代概念,这可能更有效。微型游泳者的动力学包括许多方面,这些方面都是实现运动所必需的。在这篇文章中,我们回顾了生物和人工合成的微型游泳者的运动物理,以及它们的集合体的集体行为。从个体微型游泳者出发,我们描述了生物和合成系统的各种推进机制,并解决游泳的流体动力学方面。这包括鞭毛和纤毛的同步和协调跳动。此外,游泳行为旁边的表面进行了检查。最后,讨论了有无水动力相互作用时各向同性和各向异性游泳者的集体和合作现象。
2014-12-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Flagellar Dynamics of Chains of Active Janus Particles Fueled by an AC electric field
研究了交流电场作用下自推进非对称胶体粒子(Janus粒子)的主动动力学。通过调节外加电场的频率和溶液的离子浓度,可以控制自推进的速度和方向以及颗粒之间的吸引相互作用的强度。在高离子浓度下的强吸引力引起Janus粒子的链形成,这可以用粒子上的四极电荷分布来解释。观察到的链的形成,而不管的粒子的自推进的方向。当链头的位置和方向固定时,它们表现出令人想起真核鞭毛的跳动行为。Janus粒子链的跳动频率取决于所施加的电压,因此也取决于自推进力。拍频和自推进力之间的比例关系偏离了先前对活动细丝的理论预测。然而,这个矛盾是解决假设粒子之间的吸引力相互作用是介导的四极分布的感应电荷,这给出了间接的,但令人信服的证据的机制Janus粒子。这意味着以前被忽视的推进机制和相互作用机制之间的依赖性可以改变跳动行为的色散关系。此外,链内的水动力相互作用及其对推进速度的影响进行了讨论。这些提供了新的见解活性丝,如生物功能的最佳鞭毛设计。
2017-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Oscillatory Active Brownian Motion: A Minimal Model for Sperm Dynamics
School of Biomedical and Chemical Engineering, Colorado State University(科罗拉多州立大学生物医学与化学工程学院);Instituto de Biología y Medicina Experimental (IBYME-CONICET)(实验生物学与医学研究所 (IBYME-CONICET))
研究针对标准活性布朗运动未考虑精子内在振荡的问题,提出振荡活性布朗运动模型,给出相关可观测量解析表达式及核心预测,利用人类精子轨迹推断参数,能定量再现精子轨迹和动力学,为描述精子运动性提供框架。
2026-08-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Propulsion driven by self-oscillation via an electrohydrodynamic instability
鞭毛和纤毛的振荡在生物学中起着重要作用,这激发了功能模拟作为生物启发应用的一部分的想法。然而,通过稳定、均匀的刺激来驱动它们的人造对应物振荡仍然具有挑战性。结合理论和模拟,我们展示了一种策略,以实现这一目标,通过使用弹性电流体动力学不稳定性。特别是,我们表明,施加一个均匀的直流电场可以产生自振荡运动的微机器人组成的电介质粒子和弹性细丝。在调节电场和细丝弹性时,微型机器人表现出三种不同的行为:静止状态、波动游泳和稳定旋转,其中游泳行为源于通过Hopf分叉出现的不稳定性。我们的研究结果表明,工程自振荡的可行性,利用弹性-粘性响应来控制分叉的类型和形式的不稳定性。我们预计,我们的策略将是有用的,在广泛的应用范围内模仿自振荡的自然现象和生物过程。
2019-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
CO$_2$-driven diffusiophoresis for removal of bacteria
我们研究CO $_2$驱动的扩散电泳的胶体颗粒和细菌细胞在一个Hele-Shaw几何。结合实验和一个模型,我们了解的特征长度和时间尺度的CO $_2$驱动的扩散电泳系统的尺寸和CO $_2$扩散。野生型霍乱弧菌和缺乏鞭毛的突变体以及S.金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌在溶解的CO $_2$源附近的扩散电泳表明,实现细菌的扩散电泳与细胞形状和革兰氏染色无关。长时间的实验表明,细菌扩散电泳可能应用于清洁系统或抗生物污染表面。
2020-09-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Chiral Self-Assembly of Helical Particles
构建块的形状在引导自组装朝向所需架构方面起着至关重要的作用。在众多不同的形状中,螺旋有着独特的地位。螺旋结构在自然界中普遍存在,并且螺旋形状由最重要的生物聚合物如多核苷酸、多肽和多糖以及细胞器如鞭毛表现出。螺旋粒子可以自组装成手性超结构,其可以具有多种应用,例如作为光子(Meta)材料。然而,对这些结构的清晰和明确的理解尚未完全实现。我们最近进行了广泛的研究,硬螺旋粒子的相行为,使用数值模拟和经典的密度泛函理论。在这里,我们提出了一个详细的研究作为其形态的函数的硬螺旋的相图。这包括各种液晶相,具有不同程度的取向和位置排序。我们展示了如何,通过调整螺旋参数,有可能控制系统的组织。从细长的螺旋,其相行为是类似的棒状粒子,卷曲的增加导致发病的粒子之间的方位角的相关性和形成特定的螺旋相。这些阶段的特点是一种新的螺旋顺序,其中有实验证据在胶体悬浮液的螺旋鞭毛。
2015-10-21 cond-mat.soft
Hydrodynamic synchronization of autonomously oscillating optically trapped particles
椭圆形的微米级胶体颗粒在聚焦激光束中可以自发振荡。如果两个振荡的粒子保持接近,它们的振荡通过流体动力学相互作用同步。同步的程度取决于振子之间的距离和它们的方向。由于流体动力学耦合的各向异性,当粒子沿振荡方向排列时,同步性最强。对于排成一行的许多振荡粒子也观察到类似的行为。实验观察结果很好地再现了一个模型,该模型使用的光学力和流体动力学相互作用的现象学描述。我们的研究结果表明,振荡椭球粒子可以作为一个模型系统,研究生物纤毛之间的流体动力学同步。
2015-03-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.optics
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
From rods to helices: evidence of a screw-like nematic phase
一个特殊的手性双相的证据提供了使用数值模拟和昂萨格理论的硬螺旋粒子系统。当螺旋排列良好时,该相出现在螺旋相的高密度端,并且其特征在于螺旋的C $_2$对称轴围绕螺旋指向矢螺旋,周期性等于颗粒间距。平移和旋转自由度之间的这种耦合允许更有效的包装,因此增加了平移熵。通过引入合适的序参量和关联函数来识别螺旋相,研究了螺旋相的主要特征随螺旋粒子半径和螺距的变化规律。我们的研究强调了在胶体螺旋鞭毛中观察到的类似有序的物理机制[E. Barry等,\textit{Phys. Rev. Lett.} \textbf{96},018305(2006)],并提出了是否可以在足够高密度的其他螺旋颗粒系统(如DNA)中观察到的问题。
2014-03-04 cond-mat.soft
Algae-like Artificial Organic Phototactic Micro-swimmers
本文报道了一类通过热解反应形成的类藻类有机微泳体,其具有动态集群、分形组装及正负趋光性等生命样行为,为仿生与催化应用提供了新型可编程胶体架构。
2023-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Growing, Buckling, and Swirling: motility from polymerization
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research(国际理论科学中心,塔塔基础研究所);Center for Computational Biology, Flatiron Institute(计算生物学中心,平顿研究所);Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University(纽约大学库朗数学科学研究所)
研究低雷诺数环境中表面锚定细丝生长聚合产生的运动性问题,构建连续介质框架,分析表明聚合诱导压缩力致屈曲不稳定性,耦合框架与粒子得出多种运动行为,为该运动性建立理论基础并指出合成游泳者设计原则。
2026-07-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn