Effective Medium Theory for Mechanical Phase Transitions of Fiber Networks
针对刚性纤维网络非线性硬化的力学相变缺乏完整解析理论的问题，研究提出纳入非简谐哈密顿量的扩展有效介质理论，其平均场预测与已有实验和数值结果定性相符。
2023-09-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The positioning of stress fibers in contractile cells minimizes internal mechanical stress
Interdisciplinary Center for Scientific Computing, Heidelberg University（海德堡大学跨学科科学计算中心）；Institute for Environmental Decisions, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院环境决策研究所）；Institute for Theoretical Physics, Heidelberg University（海德堡大学理论物理研究所）；BioQuant, Heidelberg University（海德堡大学生物定量研究中心）
该研究结合有限元方法与遗传算法，提出应力纤维以最少纤维实现细胞内最小机械应力的假设，其优化得到的纤维分布与实验吻合，且纤维呈对角走向类似复合材料增强策略。
2024-10-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Mechanical criticality of fiber networks at a finite temperature
本研究针对有限温度下连接度低于等静压阈值的无序纤维网络的力学相变，基于实空间重正化建立标度理论，经蒙特卡洛模拟验证标度关系并发现反常熵弹性，为相关半柔性聚合物网络研究提供预测。
2023-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Strain-rate, temperature and size effects on the mechanical behavior of fiber bundles
IsTerre, CNRS/Université Grenoble Alpes（IsTerre，法国国家科学研究中心/格勒诺布尔阿尔卑斯大学）
研究应变率、温度和尺寸对纤维束机械行为的影响，通过纤维束模型分析热激活作用，揭示应变率和温度对强度、应变和弹性模量的影响，指出传统降尺度方法需谨慎使用。
2026-03-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Interplay between the mechanics of bacteriophage fibers and the strength of virus-host links
病毒纤维在许多病毒感染机制中起着核心作用，因为它们识别相应的宿主并与其表面建立机械连接。具体来说，噬菌体必须通过尾部周围的纤维锚定到细菌上，然后才能开始将病毒DNA易位到宿主中。来自噬菌体T4长尾纤维的蛋白质基因产物（gp）37形成位于长尾纤维远端的纤维状平行同源三聚体。生化数据表明，这些纤维中至少有三个是初始宿主细胞相互作用所需的，但没有揭示为什么是三个而不是其他数量。通过使用原子力显微镜，我们获得了高分辨率图像的gp 37纤维吸附在云母基板上的缓冲条件，并探讨其局部的机械性能。我们的纳米级径向压痕实验提供了~0.08 N/m的径向刚度和~120 pN的断裂力。此外，我们进行了有限元分析，并确定杨氏模量为约20 MPa。从这些机械参数，我们假设，三个病毒纤维提供足够的机械强度，以防止T4病毒从细菌分离的病毒颗粒布朗运动，提供了生物物理的理由，以前的生化数据。
2021-08-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Local mechanical response in semiflexible polymer networks subjected to an axisymmetric prestress
本文对轴对称预应力状态下纤维网的力学响应进行了解析和数值计算，在几何非线性如纤维转动可忽略不计的情况下。这使我们能够专注于纯粹从单个纤维的非线性力-延伸曲线导出的各向异性。各向同性，轴对称和完全各向异性网络的独立弹性系数的数量被枚举，然后推导出表达式的响应，可以测试对例如微观流变学实验的局部施加的力。局部力可以产生各向异性远离应用点，所以非线性连续方程的数值积分被用来确定应力场，和诱导的机械各向异性，在点直接位于后面和前面的一个力方向。蠕虫状链模型的规范化形式的结果，使他们能够很容易地映射到一系列的系统。最后，这些研究结果的相关性，自然发生的系统和未来的调查方向进行了讨论。
2013-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical tuning of the evaporation rate of liquid on crossed fibers
本文研究了小体积完全润湿液体在两根交叉纤维上的干燥。我们的特点是在这种几何形状中遇到的三种液体形态的干燥动力学：滴，列和混合形态，其中一滴和一列共存。对于每种形态，我们合理化我们的研究结果与理论模型，捕捉干燥动力学。我们发现，蒸发速率显着依赖于液体的形态和干燥的液柱是快于液滴和混合形态的蒸发对于给定的液体体积。最后，我们说明，剪切网络的纤维减少它们之间的角度，改变形态向列状态，因此提高了挥发性液体沉积在它的干燥速率。
2015-03-11 cond-mat.soft
Cells exploit a phase transition to mechanically remodel the fibrous extracellular matrix
通过机械力，生物细胞重塑周围的胶原蛋白网络，产生惊人的变形模式。细胞间形成高密度的纤维束和纤维束，细胞团中有较细的条带。虽然系绳促进细胞迁移和通信，但它们如何形成尚不清楚。结合建模，模拟和实验，我们表明，系绳的形成是一个致密的相变的细胞外基质，引起的屈曲不稳定的网络纤维下细胞诱导的压缩，具有意想不到的相似之处马氏体微观结构。多尺度平均产生一个两阶段，连续的能量景观纤维胶原蛋白，与致密化/对齐的第二阶段。模拟预测未致密化和致密化相之间的应变不连续性，其如实验观察到的那样局限于系链内。在我们的实验中，活性粒子诱导了与细胞相似的局部模式。这显示了细胞如何利用不稳定性来简单地通过收缩机械地重塑细胞外基质，从而促进机械感应、侵袭和转移。
2021-02-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Rectification of stress by fiber networks: Manifestation of non-linear screening through self-organized buckling
Brandeis University（布兰迪斯大学）；Rutgers University, Camden（罗格斯大学卡姆登分校）；UCLA（加州大学洛杉矶分校）
该研究通过自组织屈曲揭示了非线性纤维网络中力偶的机械屏蔽效应，展示了其在大尺度力传递中的调控机制。
2025-11-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Yielding and hardening of flexible fiber packings during triaxial compression
本文研究了柔性纤维填料在三轴压缩下的力学响应。短纤维以类似于典型颗粒材料的方式屈服，其中偏应力在达到峰值之后随着应变的增加而保持几乎恒定。有趣的是，长纤维表现出硬化行为，其中在大应变下应力随着应变的增加而迅速增加，并且堆积密度连续增加。作为纤维纵横比、纤维-纤维摩擦系数和围压的函数，生成用于将体积力学响应分类为屈服、硬化或过渡制度的相图。大的纤维长径比、大的纤维-纤维摩擦系数和大的围压促进硬化行为。硬化填料可以承受比屈服填料大得多的载荷，有助于颗粒结构的稳定和固结，但纤维内部产生更大的内部轴向力。
2019-04-10 cond-mat.soft
Fiber-based shape-morphing architectures
我们描述了对通过驱动复合材料（Janus）纤维组装的形状变形结构的实验和理论研究，并考虑了影响形状转变的多个相关因素，例如结构的应变率、组成和几何形状。从简单的弯曲实验开始，我们展示了获得封闭环和正方形框架的多种平面外形状的方法。通过理论和模拟相结合，我们研究了Janus纤维的机械性能如何影响形状转变。这使我们能够通过精确调整纤维的材料特性和几何形状来控制形状变化并获得目标3D形状。我们的研究结果打开了先进的机械超材料设计的新视角，能够通过复杂的驱动模式创建复杂的结构。
2019-12-12 cond-mat.soft
In vivo measurements of fascia lata effective mechanics combined to a memory fiber recruitment viscoelastic modeling approach
ENSL, CNRS, Laboratoire de physique（里昂高等师范学校，法国国家科学研究中心，物理实验室）
本研究通过结合人体阔筋膜控制性斜坡松弛实验与整合纤维募集和双时间尺度粘弹性松弛的本构模型，建立了可重复测量体内阔筋膜有效粘弹性特性的实验与建模框架。
2026-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Effects of nerve bundle geometry on neurotrauma evaluation
目的：我们证实，神经元结构的改变可以诱导神经系统的信号传播异常，如在脑损伤中观察到的。在这里，我们调查的影响，几何形状的变化和损伤的神经元结构在2缩放神经束模型，有髓神经纤维或无髓神经纤维。研究方法：我们提出了一个三维有限元模型的神经束，结合实时全机电耦合，调制阈值尖峰激活，和独立的改变每个纤维的电特性。然后，我们模拟机械压缩和拉伸，以诱导由4根纤维组成的神经束膜的损伤。我们通过依次考虑完整的和创伤的神经膜的情况来检查应变和神经活动的变化。结果如下：我们的研究结果表明，较低的应变和较低的电生理损伤的无髓纤维比有髓纤维，更高的变形水平较大的束，和更高的电生理损伤较小的束。结论：我们的结论是，髓鞘的绝缘鞘收缩膜变形和分散束内的塑性应变，较大的束变形比小束，和小纤维容忍更高水平的机械故障前的伸长率。
2020-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shear-induced phase transition and critical exponents in 3D fiber networks
当受到外加应变时，纤维网络表现出非线性弹性硬化。最近的理论和实验表明，这种现象是由一个潜在的机械相变，是关键的性质。越来越多的模拟证据表明，这种转变的非平均场行为和超标度关系已被提出来与相应的临界指数。在这里，我们报告了两种不同的3D网络结构的模拟。通过执行有限尺寸标度分析，我们测试超标度，并确定各种关键指数。从超标度的明显有效性，以及我们观察到的非平均场指数，我们的研究结果表明，上临界尺寸为应变控制的相变是3以上，在相反的干扰过渡，代表另一个非热，机械相变。
2021-04-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Local mechanical properties of electrospun fibers correlate to their internal nanostructure
聚合物纳米纤维的性质可以通过在纳米级适当地管理聚合物分子的结构来定制和增强。虽然电纺聚合物纤维在许多技术应用中越来越多地被利用，但其内部纳米结构决定了其改善的物理性能，仍然缺乏研究和理解。在这里，我们解开了由原型共轭聚合物制成的静电纺丝功能纳米纤维的内部结构。利用近场光学测量的独特功能来研究聚合物密度的纳米级空间变化，证明了嵌入在较低密度聚合物壳中的致密内核的存在。有趣的是，纳米级映射的纤维杨氏模量表明，致密的核心是刚性比聚合物，密度较低的外壳。这些发现是合理的，通过开发一个理论模型和模拟的聚合物分子结构的演变过程中的静电纺丝过程。该模型预测，聚合物网络的拉伸引起朝向网络的喷射中心的收缩，其中聚合物密度局部增加，如在固体结构中观察到的。发现的复杂内部结构为改善和定制聚合物纤维的分子形态和多功能电子和光学性能开辟了有趣的前景。
2013-11-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
In-drop capillary spooling of spider capture thread inspires hybrid fibers with mixed solid-liquid mechanical properties
无网纹圆蛛所纺的蛛丝是蛛网陷阱结构中的一个重要元素，它由横跨在丝上的胶滴组成。从机械上讲，这种螺纹呈现出迄今为止未知的混合固体-液体行为。在伸展状态下，由于其分子纳米弹簧，捕获丝表现为一种特别有弹性的固体，但它在压缩状态下的行为完全转变为现在的液体状：它在施加恒定张力的同时收缩，没有明显的限制。在这里，我们解开了支撑这种“液体线”的独特行为的物理学，并证明了它的机械响应起源于由液滴内的屈曲引起的丝丝的形状切换。从这个几何和力学的自然例子中学习，我们制造了可编程的液体线，为新的混合固体-液体材料的设计提供了以前未识别的途径。这篇文章可在PNAS网站上开放获取补充材料。
2016-05-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.AO
Effects of Average Number of Platelets Through the Thickness and Platelet Width on the Mechanical Properties of Discontinuous Fiber Composites
在这项研究中，我们的实验和数值模拟研究的拉伸材料性能的不连续纤维复合材料（DFCs）的血小板通过厚度为两个不同的血小板宽度的平均数量增加的演变。结果表明，片晶数目和片晶宽度对复合材料的拉伸模量和强度均有显著影响。我们发现，不仅平均力学性能，但它们的变异系数的变化，根据不同的DFC介观结构。为了了解材料的细观形态和相应的材料性能之间的关系，我们开发了一个随机的血小板细观结构生成算法结合显式有限元模型。利用计算工具，我们发现，模量和强度增加的血小板通过厚度的平均数量。增加的趋势继续，直到达到渐近极限，对于窄片晶在厚度上为约45层，对于正方形片晶为27层。在这项研究中，我们解决的重要性，有准确的模拟的介观结构，以匹配不仅是平均模量和强度，而且其相关的变异系数。我们表明，它是可以准确地预测的拉伸材料性能的DFC，包括其B-基础的设计值。这是在结构应用中采用DFC的典型条件。
2023-02-06 cond-mat.soft
DNA folding: structural and mechanical properties of the two-angle model for chromatin
我们提出了一个理论分析的30纳米染色质纤维的结构和机械性能。我们的研究是基于Woodcock等人（Woodcock，C. L.，S. A.格里戈里耶夫河A. Horowitz和N.惠特克1993. PNAS 90：9021-9025），其根据核小体DNA的进出角和相邻核小体相对于彼此的旋转设置来描述染色质纤维几何形状。我们分析探讨了不同的结构，从这个建设原则，并证明，具有最高密度的几何形状是接近一个在生理条件下发现在天然染色质纤维。在此基础上计算了纤维在拉伸过程中的力学性能。我们得到的应力-应变特性的表达式与最近的拉伸实验结果（Cui，Y.，和C.布斯塔曼特2000. PNAS 97：127-132）和计算机模拟（Katritch，V.，C. Bustamante和W. K.奥尔森2000. J. Mol. 295：29-40），并且其提供了对染色质的结构和弹性性质之间的相关性的简单物理见解。
2001-02-07 cond-mat.soft q-bio.BM
Towards understanding structure-function relationships in random fiber networks
本研究通过有限元模型和可解释解析方法，揭示了随机纤维网络中力链与结构-功能关系，为预测网络力学性能提供新途径。
2025-06-20 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Finite size effects in critical fiber networks
纤维网络如胶原蛋白在生理系统中是常见的。这些网络的一个重要功能是为细胞和组织提供机械稳定性。在生理水平的连通性，这样的网络将是机械不稳定的，只有中心力的相互作用。虽然网络可以通过弯曲相互作用来稳定，但也已经表明，它们表现出从松弛到刚性的临界转变作为施加应变的函数。超过一定的应变阈值，据预测，欠约束网络与只有中心力的相互作用表现出剪切模量的不连续性。我们研究了这种转变的有限尺寸标度行为，并确定了热力学极限中的力学不连续性和临界指数。我们发现非平均场行为和证据的超标度关系的临界指数，网络刚度是类似的热相变的热容量。这一点的进一步证据也可以在纤维网络的自平均特性中找到。
2020-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Multiscale Insights of Domain Unfolding in Fibrin Mechanical Response
本研究开发了包含解折叠的粗粒化聚合物模型，用于模拟纤维蛋白原及其纤维和网络，以解释结构域解折叠对力学行为的影响，并预测交联纤维蛋白凝胶的非线性力学响应。
2025-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A bending fluctuation-based mechanism for particle detection by ciliated structures
为了模拟被动生物纤毛在复杂流体中的机械响应，我们研究了在剪切作用下锚定的弹性纤维在稀颗粒悬浮液中的弯曲动力学。我们表明，纤维的弯曲波动准确地编码的颗粒悬浮液浓度的微小变化。实际上，除了由连续相流引起的静止弯曲之外，每个单个颗粒的通过引起附加的偏转。我们表明，占主导地位的颗粒/纤维相互作用产生的直接接触的颗粒与纤维，我们提出了一个简单的弹性流体动力学模型来预测其振幅。我们的研究结果揭示了生物纤毛的极端机械敏感性，以检测其附近的固体颗粒的存在，并带来了一个物理框架来描述其在颗粒流中的动态。
2021-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Interaction of a migrating cell monolayer with a flexible fiber
机械力影响生物组织的发育和行为。在许多情况下，这些力由弹性顺应性结构（诸如自身组织细胞基质或其他周围组织）施加或抵抗。这种组织-弹性体相互作用也是在生物物理学中采用的许多最先进的{ \it in situ}力测量技术的核心。这就需要对组织与周围施加这些力的弹性体的相互作用进行建模，提出了一个问题：描述这种相互作用所需的最低成分是什么？我们进行实验，迁移细胞单层推动碳纤维作为一个模型问题。虽然迁移的组织能够使纤维弯曲一段时间，但它最终会在停止之前弹回。当细胞在纤维上做了固定的机械功时，这种停止就会发生，而不管纤维的硬度如何。基于这些观察，我们开发了一个最小的活性流体模型，再现实验和定量预测系统的相关功能。这个极小模型指出了描述组织-弹性固体相互作用所需的基本成分：有效惯性和粘性应力。
2021-01-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Nonlinear elasticity of disordered fiber networks
无序生物聚合物凝胶具有显著的机械性能，包括强非线性。在无热凝胶（例如胶原蛋白-I）的情况下，非线性长期以来与从弯曲主导到拉伸主导的弹性状态的交叉相关联。这种交叉的物理性质与中心力均衡点的存在有关，并且与大多数凝胶的弯曲模量小的事实有关。这种交叉引起弹性模量的缩放行为。特别地，对于线性弹性，已经证明了这样的标度定律[Broedersz等人，Nature Physics，2011 7，983]。在这项工作中，我们推广的非线性制度的标度与两个参数的标度律涉及三个临界指数。我们对两个无序晶格模型的标度律进行了数值检验，发现剪切模量在线性和非线性区域都有很好的标度坍缩。我们计算了这两个晶格模型的所有临界指数，并讨论了我们的结果对实际系统的适用性。
2015-07-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Toward new scaling laws for wrinkling in biologically relevant fiber-reinforced bilayers
本文针对纤维增强超弹性双层膜的起皱问题，通过解析与数值分析界面力平衡，提出了新的标度律，系统揭示了纤维诱导各向异性对起皱临界应变、波数及皱褶演化的影响，并与有限元分析验证一致。
2024-01-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
ToFiE, a Topology-aware Fiber Extraction workflow for 3D reconstruction of dense and heterogeneous biological fiber networks from microscopy images
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本文提出ToFiE工作流程，用于从高分辨率显微图像中重建密集且异质的生物纤维网络，保留三维连接性，通过合成图像和胶原凝胶网络验证其有效性。
2026-04-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.QM
Stiff Polymers, Foams and Fiber Networks
本文研究了由广义刚性聚合物组成的纤维材料的弹性。结果表明，在对比蜂窝泡沫状结构仿射应变场一般是不稳定的。相反，网络的结构和其构建块的弹性性质之间的微妙相互作用导致了具有中间渐近标度制度的有趣的机械性质。我们提出了详尽的数值研究的基础上补充的比例参数的有限元方法。
2005-03-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Scaling Theory of the Mechanical Properties of Amorphous Nano-Films
数值模拟是用来创建一个选定的厚度的非晶纳米薄膜上的晶体基板上的薄膜上诱导应变。薄膜生长的气相沉积技术，这是最近开发的创建非常稳定的玻璃膜。利用Hessian矩阵与剪切模量和体积模量之间的精确关系，我们探索了纳米薄膜的机械性能作为衬底密度和薄膜厚度的函数。基体的存在决定了复合体系的力学性能。缩放的概念，然后采用，以实现数据崩溃在很宽的范围内的密度和膜厚度。
2016-04-14 cond-mat.soft
Density scaling in the mechanics of a disordered mechanical meta-material
自然界提供了具有显著机械性能的自组装轻质无序网络结构的例子，这些机械性能对于许多应用目的是期望的，但人工复制具有挑战性。以前的实验和计算研究调查的随机网络结构的机械响应，集中在拓扑和几何方面的变量连接或概率放置梁元素。然而，为了实用目的，一个雄心勃勃的挑战是设计新材料，使其具有泰勒的机械特性，如刚度。在这里，我们设计了一个二维无序的机械超材料表现出非常规的刚度密度缩放的制度，其中弯曲和拉伸变形相关。在该状态下，机械超材料覆盖杨氏模量-密度平面的宽间隔，同时表现出高临界应力和临界应变。我们的研究结果得到有限元模拟的支持，为按需设计无序超材料提供了指导原则，弥合了人工和天然材料之间的差距。
2018-11-27 cond-mat.soft physics.app-ph
Focal adhesion: Physics of a Biological Mechano-Sensor
细胞和基质之间的机械耦合依赖于粘着斑，粘着蛋白簇将细胞内的应力纤维（肌动蛋白束）与周围组织连接起来。已经证明局灶性粘连可以测量和调节沿应力纤维的机械牵引。我们提出了一个定量模型的焦点粘附力传感和应力调节的基础上，应力放大的凝聚过渡的粘附蛋白的临界点。
2003-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Physically Constrained 3D Diffusion for Inverse Design of Fiber-reinforced Polymer Composite Materials
提出PC3D_Diffusion三维扩散模型，并通过损失引导的无学习物理约束方法，实现满足无碰撞要求、可定制整条应力-应变曲线的FRPC逆向设计。
2024-12-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
