Hydrodynamic simulations of self-phoretic microswimmers
本文建立了一个介观流体动力学模型来模拟热泳或扩散泳驱动的合成自推进Janus粒子。我们首先提出了一个被动的胶体球模型，它再现了正确的旋转动力学与强大的泳动效应。这个胶体溶液模型采用了多粒子碰撞动力学描述的溶剂，并结合潜在的相互作用与溶剂，坚持边界条件。引入非对称和特殊的胶体表面来产生自泳Janus粒子的性质。比较研究了Janus和microdimer泳动者的游泳速度和诱导流行为。自泳微二聚体显示出长程流体动力学相互作用，并且可以被表征为牵引器或推动器。相反，Janus粒子的特征是短程流体动力学相互作用，并表现为中性游泳者。我们的模型很好地模仿了最近的实验实现的自泳Janus粒子。
2014-03-04 cond-mat.soft
Orientational order in concentrated suspensions of spherical microswimmers
我们使用数值模拟来探讨的动力学集中悬浮液的球形microswimmer相互作用的流体动力学。以前的工作在稀释极限预测取向的不稳定性对齐悬挂推和拉游泳者，我们确认计算。与以前的工作不同，我们表明，各向同性悬浮液的球形游泳者也总是不稳定的。这两种类型的初始条件开发长时间的极序，其性质取决于流体动力学签名的游泳者，但非常弱的体积分数到非常高的体积分数。
2013-02-10 cond-mat.soft
Simulation of microswimmer hydrodynamics with multiparticle collision dynamics
在这篇综述中，我们讨论了软活性物质系统的模拟，特别是使用多粒子碰撞动力学的方法，它解决了周围的流体动力学流动的粗粒度水平上的微游泳者的流体动力学的最新进展。首先，我们提出了一个简单的概述的基本模拟方法和微游泳者和流体之间的耦合。然后，我们回顾了目前的成就，模拟灵活和刚性的微型游泳者使用多粒子碰撞动力学，并简要总结和讨论可能的未来发展方向。
2020-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flow properties and hydrodynamic interactions of rigid spherical microswimmers
我们分析了一个极小模型的刚性球形微型游泳者，并探讨其扩展表面的影响，其自推进和流动特性之间的相互作用。该模型是一阶表示的微型游泳者，如细菌和藻类，具有刚体和柔性推进附件。在有限的距离，这样的microswimmer的流场显着不同的点力（Stokeslet）偶极子。对于悬浮的microswimmer，我们推导出的大流动性矩阵，连接到一个单独的游泳运动的主动和被动的力和力矩作用在所有的游泳者。我们的流动性张量的调查表明，刚体microswimmer之间的流体动力学相互作用有很大的不同，从相应的点力偶极子。我们的研究结果是相关的集体行为的流体动力学相互作用的微型游泳者的斯托克斯动力学模拟在中等浓度的研究。
2017-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
3D model for surface accumulation of chiral and non-chiral microswimmers
本文建立三维模型研究表面凸障碍物纹理对手性与非手性微泳者表面聚集的影响，发现凸障碍物依角速度和对齐力可阻碍或增强聚集，并提出按角速度分选微泳者的潜在应用。
2024-01-10 cond-mat.soft
Hydrodynamic Synchronisation of Model Microswimmers
我们定义了一个模型microswimmer具有可变的周期时间，从而允许游泳者之间的流体动力学相互作用驱动的锁相的可能性。我们发现，对于伸展或收缩的游泳者，锁相确实发生，与两个游泳者的相对相位，一般来说，接近0或π，这取决于他们的相对位置和方向。我们表明，正如预期的对称性的理由，自我T-双游泳者，这是时间反演协变，不锁相。我们还讨论了相行为的系留游泳者，或泵。这些显示了它们的相对相位的振荡，让人想起纤毛的异时波。
2009-07-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hot Microswimmers
热微泳者是利用局部加热进行定向自热泳运动的自推进布朗粒子。我们提供了一个教学概述的关键物理机制，这一有前途的新技术。它涵盖了游泳，热泳和反渗透，热布朗运动，无力转向的流体动力学，以及专门的实验和模拟工具来分析热布朗游泳者。
2018-05-18 cond-mat.soft
Particle-scale statistical theory for hydrodynamically induced polar ordering in microswimmer suspensions
以前的粒子为基础的计算机模拟已经揭示了一个显着更明显的趋势，自发的全球极性订购拉（收缩）microswimmer悬浮液比推（伸展）悬浮液。在这里，我们评估一个微观统计理论来调查这种秩序的出现，通过一个线性不稳定的无序状态。为此，需要输入方向相关的对分布函数，我们讨论了相应的方法，特别是启发式的Percus测试粒子方法的变体应用于主动系统。我们的理论确定了一个固有的演化极性顺序在平面系统的拉机microswimmer，如果相互对齐由于流体动力学相互作用克服了热解列旋转扩散。从理论上讲，运动员的定向有序性可以追溯到运动员之间主动诱导的流体动力旋转-平移耦合。相反，无序的推杆悬浮液保持线性稳定，对均匀的极性取向有序。我们希望我们的结果可以在实验中证实（半）稀释的活性microswimmer悬浮液，基于，例如，生物推和拉型游泳者。
2018-10-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrodynamic pursuit by cognitive self-steering microswimmers
本文应用squirmer模型研究具有隐式感知机制的微型游泳者追逐者-目标对的流体动力学转向追逐策略，发现通过适应表面流场和速度调节可实现稳定的协作运动状态。
2023-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Derivation of a hydrodynamic theory for mesoscale dynamics in microswimmer suspensions
在本文中，我们系统地推导出一个四阶连续理论，能够再现中尺度湍流的三维悬浮液的微型游泳者。我们从过阻尼Langevin方程的通用微观模型（推或拉），其中包括流体动力学的相互作用，小的长度尺度（相邻的游泳者的极性对齐）和大的长度尺度，溶剂流相互作用的序参量字段。流场是由Stokes方程确定的，并由应力张量的近似值补充。除了流体动力学相互作用，我们还允许从排除体积效应产生的双对相互作用。这里的结果大大扩展和推广了早期的发现[Phys. Rev. E 94，020601（R）（2016）]，其中我们推导了二维流体动力学理论。从相应的平均场Fokker-Planck方程结合自洽封闭方案，我们推导出非线性场方程的极和极序参量，涉及梯度项的四阶。我们发现，有效的微游泳动力学依赖于溶剂流动和取向顺序之间的耦合。对于非常弱的耦合对应于一个高粘度的悬浮液，中尺度湍流的动力学可以描述一个简化的模型，只包含一个有效的microswimmer速度。
2018-06-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic Synchronisation of Chiral Microswimmers
本文利用大规模数值方法研究了具有手征轨迹的球形微泳者在悬浮液中的同步行为。模型是通用的。它对应于低雷诺数下自推进的一般模型的最低阶解，该模型由非轴对称旋转源偶极子组成。我们表明，纯粹的圆形和螺旋游泳者可以自发地同步旋转。同步状态对应于在极坐标和方位角方向上具有高取向顺序的速度对准。最后，我们考虑一个外消旋混合物的螺旋游泳，观察种内同步，而系统仍然是一个空间均匀的流体。我们的研究结果表明，流体动力学同步作为一个自然的集体现象的手征轨迹的微泳。
2023-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Microswimmers knead nematics into cholesterics
本研究通过大规模流体动力学模拟发现，三维向列相液晶中的微型游泳者通过流体动力学耦合引发扭转-弯曲不稳定性，导致自发手性对称性破缺，将均匀向列态揉捏成类似胆甾相的螺旋扭转状态，且粒子轨迹变为螺旋面状。
2024-06-04 cond-mat.soft
Theoretical framework for pairwise microswimmer interactions
流体动力学相互作用是决定在低雷诺数的微型游泳者的合作行为的关键。在这里，我们提供了一个全面的分析的缩放和强度的相互作用的情况下，一对具有内在弹性的三个球体的游泳者。基于中风和基于力的microswimmer分析使用的分析微扰方法。被动的相互作用，以及主动的平移和旋转的详细分析后，我们发现，基于冲程和基于力的游泳者之间的映射只可能在低驱动频率制度的特征时间尺度小于粘性的。此外，我们发现，游泳运动员分开高达数百个游泳者的长度，游泳对加快自我推进，由于占主导地位的四极流体动力学相互作用。最后，我们发现，长期的行为的游泳者，而敏感的初始相对定位，并不依赖于推或拉性质的游泳者。
2021-02-10 cond-mat.soft
A fine balance of chemotactic and hydrodynamic torques: when microswimmers orbit a pillar just once
我们研究了附着在微流控柱上的自推进液滴微泳者的滞留统计。这些液滴显示出负的自趋化性：它们会释放出一种持久的乏燃料排斥性痕迹，这种痕迹使它们在绕着一定大小的柱子旋转一圈后就偏离了它们。我们设计了一种微流控检测记录游泳者在不同直径的柱阵列，通过数字图像分析获得滞留统计数据，并通过活性布朗粒子（ABP）模型的朗之万动力学解释这些统计数据。通过比较有和没有残余化学场的轨道数据，我们可以独立地估计流体动力学和化学排斥力矩，化学耦合常数和扩散系数等量，以及它们对壁曲率等边界条件的依赖性。
2019-07-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Interface crossing behavior of prolate microswimmers: thermo and hydrodynamics
Indian Institute of Technology Jammu（印度理工学院詹穆分校）；Birla Institute of Technology Pilani, Hyderabad Campus（比拉理工学院皮拉尼校区海得拉巴）；Univ. Bordeaux, CNRS, LOMA, UMR 5798（波尔多大学，法国国家科学研究中心，LOMA实验室）
研究椭球微游泳器穿越清洁液-液界面的动力学，揭示中性润湿游泳器受初始角度、游泳速度及界面张力影响，可能被吸附或穿越界面，通过界面热力学与主动流体动力学力的竞争解释其行为。
2025-07-31 cond-mat.soft
Minimal numerical ingredients describe chemical microswimmers's 3D motion
本研究提出一个粗粒化耗散粒子-流体动力学模型，通过水动力相互作用、重力及质量与形状不对称的竞争平衡，成功重现化学微型游泳者的复杂3D运动，为合成可控微型游泳者提供通用框架。
2023-07-30 cond-mat.soft
Active turbulence in microswimmer suspensions -- the role of active hydrodynamic stress and volume exclusion
本研究利用多粒子碰撞动力学方法模拟细菌型微游动悬浮液，揭示了活性流体动力学应力、体积排阻和rotlet偶极子强度对集体行为的影响，发现高浓度和强偶极子下涌现Kolmogorov-Kraichnan型湍流，强调了流场对群集运动和细菌湍流的关键作用。
2021-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrodynamics can Determine the Optimal Route for Microswimmer Navigation
与如何引导宏观代理（如飞机或月球着陆器）以最佳方式到达目标的探索问题相比，“最佳微游泳”，即对微游泳者的最佳导航策略的探索，仍然没有解决。在这里，我们系统地探讨了这个问题，并表明，microswimmer的特征流场至关重要地影响所需的导航策略，以最快地到达目标。所得到的最佳轨迹可以具有显著的和非直观的形状，其在性质上不同于干活性颗粒或能动宏观剂的形状。我们的研究结果提供了通用的见解流体动力学和波动的作用，最佳导航在微观上，并建议微生物可能有生存优势时，战略性地控制他们的距离远程墙壁。特别是，当存在波动时，选择适当尊重流体动力学的最佳策略，与微泳者直接朝向目标的情况相比，可以将到达目标的时间减半。
2022-05-08 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Frequency-dependent higher-order Stokes singularities near a planar elastic boundary: implications for the hydrodynamics of an active microswimmer near an elastic interface
流体环境中的自驱动活性粒子的新兴领域最近引起了生物物理学和生物工程界的极大兴趣，因为它们具有广阔的未来生物医学和技术应用前景。这些微泳者通过水介质自主移动，在现实情况下，他们遇到了过多的外部刺激和限制表面具有特殊的弹性特性。基于远场流体动力学模型，我们提出了一个分析理论来描述的物理相互作用和流体动力学耦合之间的自推进的主动微型游泳器和弹性界面，具有抗剪切和弯曲。我们建模的活性剂作为高阶斯托克斯奇点的叠加，并阐明了附近的弹性边界引起的相关的平移和旋转速度。我们的研究结果表明，速度可以分解为剪切和弯曲相关的贡献，接近无滑移刚性壁在稳定极限的活性剂的速度。的瞬态动力学预测，由于弯曲阻力的microswimmer的速度的贡献一般比剪切阻力更明显。我们的研究结果提供了深入了解的控制和指导的人工和合成的自我推进的主动microswimmer弹性约束附近。
2019-09-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamical Density Functional Theory For Microswimmers
动力学密度泛函理论（DDFT）已经成功地被导出并应用于描述一方面被动的胶体悬浮体，包括单个颗粒之间的流体动力学相互作用。另一方面，积极的“干”人群的自推进粒子的特点是使用DDFT。在这里，我们更进一步，将这两种方法结合起来。我们建立了一个DDFT的主动微游泳悬浮液。为此，简单的极小模型microswimmer的介绍。这些微型游泳者通过使周围的流体运动来自我推进。它们通过其主动自诱导流体流动和通过共同的“被动”流体动力学相互作用而彼此流体动力学地相互作用。一个有效的软位阻斥力也被考虑在内。我们从常见的统计方法开始推导DDFT。然后，我们的DDFT测试和应用的特征悬浮液的microswimmer的运动被限制在一个平面内的三维体相流体。此外，游泳者受到径向对称的捕获势的限制。在一定的参数范围内，我们发现旋转对称性破缺结合形成的“流体动力学泵浦状态”，这是以前在文献中观察到的结果，粒子为基础的模拟。一个额外的不稳定性，这种泵浦状态被揭示。
2016-01-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Geometry-Controlled Motility of Microswimmers in elementary microfluidic confinements
Université Grenoble Alpes, CNRS, LIPhy（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，LIPhy实验室）
本文研究衣藻在不同PDMS微流体几何限域中的运动，发现几何可调控其运动模式，为微泳者输运的被动控制提供了新途径。
2026-08-05 cond-mat.soft
Detention times of microswimmers close to surfaces: Influence of hydrodynamic interactions and noise
在与表面碰撞后，微泳者在滞留时间内停留在那里。它们积累并可能形成复杂的结构，如生物膜。我们引入了一个通用的框架来计算滞留时间的分布，使用的方法的首次通过时间和研究如何旋转噪声和流体动力相互作用的影响，从一个表面的逃逸。我们比较通用的游泳者模型简单的主动布朗粒子。虽然源偶极子的各自的滞留时间较小，拉的较大的几个数量级，和推显示这两种趋势。我们将我们的研究结果应用到更现实的蠕动模型，我们使用润滑理论，并验证他们的模拟与多粒子碰撞动力学。
2015-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Controlling stability and transport of magnetic microswimmers by an external field
我们使用动力学理论框架研究了磁性微泳者在外场中的流体动力学稳定性和运输。结合线性稳定性分析和非线性三维连续模拟，我们表明，足够大的活动和磁场强度，一个均匀的极性稳定状态是不稳定的拉和推游泳。这种不稳定性是由各向异性的流体动力学相互作用的放大，由于外部对齐，并导致部分去极化和减少的平均运输速度的游泳者在字段方向。值得注意的是，在更高的场强下，出现重入流体动力学稳定性，其中均匀的极性状态变得稳定，并且恢复了与没有流体动力学相互作用的活性颗粒相同的传输效率。
2018-03-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Two-phase hydrodynamic model of active colloid motion
Joint Institute for High Temperatures of RAS（俄罗斯科学院高温联合研究所）
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
Coarse Graining Nonisothermal Microswimmer Suspensions
我们研究了悬浮自热泳微泳者的粗粒度模型。在加热时，Janus球体，与由不同材料制成的半球，诱导非均匀的局部溶剂温度，导致自泳粒子推进。从原子的分子动力学模拟，我们验证了粗粒度的描述流体的局部分子温度场，其作用的粒子的热泳自推进和热布朗运动。后者由有效非平衡温度控制，有效非平衡温度通过限制粒子的位置和取向从模拟中测量。理论上，它们仍然是相关的任何进一步的空间粗粒化对整个悬浮液作为一个均匀的复杂流体的流体动力学描述。
2021-02-19 cond-mat.soft
Propulsion and far-field hydrodynamics of linked-sphere microswimmers with viscoelastic deformability
Indian Institute of Technology Kanpur（坎普尔印度理工学院）
研究了通过递归驱动的微游泳器动力学，分析了连接球设计的推进性能及远场流体动力学特征，揭示了粘弹性变形对游泳方向和流体特征的影响。
2026-04-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Activity-induced microswimmer interactions and cooperation in one-dimensional environments
生物微泳者的合作运动对它们的生存至关重要，因为它有助于粘附到表面，形成分层菌落，有效的运动，并增强对营养物质的获取。合成微型游泳者目前缺乏源于活动诱导的相互作用的真正合作行为。在这里，我们证明了催化microswimmer沿一维路径表现出各种合作行为。我们发现，他们的速度随着游泳者的数量增加，而活动诱导游泳者之间的首选距离。使用一个极小模型，我们归因于这种行为的一个有效的活性诱导的潜力，源于化学和流体动力学耦合之间的竞争。这些相互作用进一步诱导主动自组装成火车以及紧凑的链，可以伸长，断裂，变得固定和重新动员。我们确定的关键作用，环境形态和游泳者的方向性发挥这些高度动态的链行为。这些活动引起的相互作用打开了大门，利用合作，以提高效率，以及提供时间和空间控制，微型游泳运动，从而使他们能够执行复杂的任务内复杂的环境。
2021-03-12 cond-mat.soft
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
Hydrodynamic capture of microswimmers into sphere-bound orbits
自推进粒子可以表现出令人惊讶的非平衡行为，它们如何与障碍物或边界相互作用仍然是一个重要的开放问题。在这里，我们表明，化学推进的微棒可以被捕获，在他们的速度变化不大，到附近的固体球休息或附近的水平面上的关闭轨道。我们发现，这种相互作用之间的球体和颗粒是短程的，甚至发生在小于颗粒长度的球体，并为各种球体材料。我们考虑一个简单的模型，润滑理论的基础上，力和扭矩自由泳者驱动的表面滑移（泳推进机制）和移动附近的固体表面。该模型演示了捕获或朝向表面的移动，并产生与距离无关的速度。这项研究揭示了自推进粒子与被动物体的活动驱动相互作用的关键方面，并提出了使用胶体示踪剂作为活性物质探针的问题。
2013-09-22 cond-mat.soft 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
Hamiltonian Dynamics and Structural States of Two-Dimensional Microswimmers
本文提出二维集群微型游泳者系统的流体动力学相互作用可用哈密顿形式表示，揭示了哈密顿量守恒及其对称性如何驱动粒子形成“自动扶梯”式稳态自组装结构。
2023-05-21 cond-mat.soft 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
Emergence of run-and-tumble-like swimming in self-propelling artificial swimmers in soft microchannels
本研究实验发现软微通道中自泳液滴涌现出跑-停式游动，源于弹性流体动力学与化学流体动力学耦合，为利用壁弹性调控活性剂提供新途径。
2025-08-06 cond-mat.soft
Oscillatory rheotaxis of active droplets in microchannels
已知生物微泳者以线性、螺旋形到振荡的轨迹在外部流的上游（正趋流性）导航。这种趋流性源于运动和复杂形状的microswimmer之间的相互作用，例如旋转鞭毛的手性，剪切流特性，和流体动力学相互作用与限制表面。在这里，我们表明，一个各向同性的，积极的液滴microswimmer表现出独特的振荡趋流性，尽管它的简单的球形几何形状的微通道。在振荡导航过程中，活性液滴的游动速度、方向和化学尾流在限制壁之间经历周期性变化。使用一个流体动力学模型和动力系统的概念，我们表明，振荡rheotaxis的活性液滴出现主要从有限大小的microswimmer与所有的微通道壁的流体动力学相互作用之间的相互作用，和剪切流动特性。这种振荡rheotactic行为是不同的定向运动附近的平面壁观察到的人工microswimmer剪切流。我们的研究结果提供了一个现实的了解，在有限的微流中的活性颗粒的行为，将遇到在大多数的应用程序，如靶向药物输送。
2021-06-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Disorder-induced persistent random motion and trapping of microswimmers
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Institute of Numerical Mathematics and Optimization, Technische Universität Bergakademie Freiberg（弗莱贝格工业大学数值数学与优化研究所）；Faculty of Informatics/Mathematics, HTW Dresden（德累斯顿应用技术大学信息/数学学院）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence, Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学“生命物理学”卓越集群）
研究通过有限元模拟揭示了微游泳器在无序多孔介质中的运动特性，发现活动性、流体动力学和无序性耦合可产生有效扩散，强推者和拉者因捕获或动态捕获而局部化，且推者-拉者在捕获概率上存在不对称性。
2026-03-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Quantitative measurements of non-equilibrium interactions of catalytic microswimmers with dual colloidal tracers
本文通过高通量跟踪和双示踪粒子方法定量测量了不同形状催化微泳体的非平衡相互作用，发现其强烈依赖几何形状，并证明现有理论模型不适用，为集体行为描述奠定基础。
2024-09-02 cond-mat.soft
Phase transition to large scale coherent structures in 2d active matter turbulence
悬浮液中微泳者的集体运动在尺度上诱导出比微泳者的特征尺寸大得多的涡旋模式，达到一种称为细菌湍流的状态。流体动力学湍流作用在更大的尺度上，并且由能量的惯性传输主导。利用修正的纳维-斯托克斯方程，研究了二维微泳者稠密悬浮体的性质，其中涡度拟能守恒可以驱动一个逆级联，通过该级联能量在最大尺度上积累.我们发现，流动的动力学和统计特性在最大的长度尺度上表现出急剧的过渡到旋涡的形成。结果表明，二维细菌湍流和流体动力学湍流通过亚临界相变分离。
2019-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Topographical pathways guide chemical microswimmers
实现对活性胶体的方向性的控制对于它们在实际应用中的使用是至关重要的，例如微流体装置中的货物载体。到目前为止，球形Janus胶体的制导主要是利用特殊设计的磁性多层涂层结合外部磁场来实现的。在这里，我们证明了台阶状的亚微米形貌特征可以用作化学活性球形Janus胶体的可靠对接和引导装置。对于各种地形特征（条纹、正方形或圆形柱），胶体在特征边缘处的对接是稳健且可靠的。此外，胶体沿着边缘移动了相当长的时间，其随着燃料浓度系统地增加。所观察到的现象定性捕获的一个简单的连续模型的自扩散电泳附近的限制边界，表明化学活性和相关的流体动力学与附近的地形相互作用的主要物理成分背后所观察到的行为。
2016-02-12 cond-mat.soft
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
Shape-asymmetry and flexibility in active cross-stream migration in nonuniform shear
Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Tirupati（印度科学教育研究所蒂鲁帕提分校）
本研究揭示活性与前后形状不对称性是微泳者在非均匀剪切中实现跨流迁移的关键被忽视因素，通过带鞭毛微泳者模型探究流体耦合与鞭毛柔性的影响，建立简化理论明确非线性动力学驱动因素，成果可用于活体细胞与人工微泳者的动力学调控，相关流体框架可拓展至多剪切流场景。
2025-04-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Run-and-tumble motion of ellipsoidal microswimmers
本文实验发现椭球形热泳Janus粒子在强约束下无需生化反馈即可产生类似细菌的游动与翻滚运动，揭示了流体动力学壁相互作用和几何诱导时间尺度分离是其物理机制。
2024-02-20 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
Nonlinear dynamics of a microswimmer in Poiseuille flow
本文研究了球形微游泳者在圆柱Poiffille流中的三维动力学，该流可以映射到一个Hamilton系统上。摆动和翻滚轨迹被识别。在2D中，它们相当于数学钟摆的振荡和循环解。游泳者和限制通道壁之间的流体动力学相互作用导致耗散动力学，并导致稳定的轨迹，不同的拉和推。我们证明了这种行为的偶极子近似的游泳者和模拟使用多粒子碰撞动力学的方法。
2012-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Wall curvature driven dynamics of a microswimmer
微生物在流体中穿梭，通常受到复杂环境的限制，以生存和维持生命。受这一事实的启发，我们考虑一个模型系统，并试图了解壁曲率驱动的动力学的蠕动，一个microswimmer的数学模型，使用（i）格子玻尔兹曼模拟和（ii）分析理论的\citet{dario_gareth}。该系统的瞬时动力学是根据流体速度场以及微型游泳者的平移速度和角速度来呈现的，而长时间动力学是通过在物理和动力学空间中绘制弯曲边界附近的蠕动轨迹来呈现的，以及根据（i）邻近参数，（ii）保留时间，（iii）游泳者方向和（iv）边界附近的切向速度，以及（v）碰撞期间的散射角。我们的详细分析表明，无论类型和强度，microswimmer表现出更大的亲和力对一个凹的边界，由于流体动力学相互作用相比，凸的边界。在存在额外的排斥与边界的相互作用，我们发现，拉（推进向前推力）有一个稍微更大的亲和力对凸-弯曲的墙壁相比，推（推进向后推力）。我们的研究提供了一个全面的理解的结果，在一个统一的框架，包括动力学的拉，推，和中性游泳者在附近的平，凹，凸壁的水动力相互作用。此外，通过将蠕动体限制在一个圆环内，研究了相对曲面的组合效应。在一个统一的框架和见解提出的结果预计将是有用的设计几何约束，以控制和引导微流体应用中的运动的微游泳者。
2021-07-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stability and Spatial Autocorrelations of Suspensions of Microswimmers with Heterogeneous Spin
活跃微粒的流体动力学相互作用在我们星球的流体环境中是普遍存在的。因此，了解这些自推进粒子的相互作用对科学和工程至关重要。在本文中，悬浮液的主动游泳者转子颗粒已被数学建模，通过扩展先前开发的随机动力学理论来分析多个自旋速度种群的microswimmer和microrotors的异质集合。本文使用这种建模方法来获得大规模的性能，如悬浮液的不稳定性和空间相关性的活性颗粒的见解，并突出了活性颗粒的旋转对悬浮液的行为的作用。本研究将着眼于分析解释斑图形成的结果观察到的自推进微粒使用数值和实验室实验。
2022-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Stochastic force dynamics of the model microswimmer Chlamydomonas reinhardtii: Active forces and energetics
我们研究了随机力动力学的模型microswimmer（衣原体reinhardtii），使用相结合的实验，理论和数值方法。虽然游泳动力学已被广泛研究，使用流体动力学的方法，推断力的粘性流场，我们直接测量的随机力产生的microswimmer使用光阱通过光子动量法。我们分析的力动力学建模的微型游泳作为一个自推进的粒子，一个la活性物质，并分析它的能量使用随机热力学的方法。我们发现复杂的振荡力动力学和功率耗散的顺序$10^6$ $k_B T / s$（$\sim$ fW）
2021-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Anisotropic diffusion of ellipsoidal tracers in microswimmer suspensions
将示踪粒子浸入生物微泳者的悬浮液中，如E。coli或C. reinhardtii显示在传统的平衡系统中看不见的现象，包括相对于布朗值和非高斯位移统计的强烈增强的扩散率。在稀释的三维悬浮液中，这些现象通常可以用孤立的微泳者对点示踪物的流体动力学平流来解释，而在较高浓度下，推式微泳者如E.大肠杆菌可以进一步增加有效扩散率。在主动悬浮液中的各向异性示踪剂，可以预期表现出更复杂的行为比球形的，由于存在一个非平凡的旋光-旋转耦合。使用大规模格子玻尔兹曼模拟扩展力偶极子描述的模型microswimmer，我们研究了运动的椭球点示踪剂浸没在3维microswimmer悬浮液。我们发现，示踪剂的旋转扩散率是由游泳者-游泳者的相关性比平移扩散率的影响要小得多。我们还研究了各向异性平移扩散的颗粒框架，并发现，在推杆悬浮液中，沿椭球主轴的扩散率高于在垂直于它的方向，尽管与布朗扩散的比例较小。因此，我们发现，远场流体力学不能解释实验中观察到的平移和旋转之间的异常耦合，最近提出的。最后，我们研究了平移和旋转位移的概率分布（PDF）。根据实验观察，在短的观察时间内，我们观察到强烈的非高斯PDF崩溃时，重新调整其方差，我们归因于在短时间内示踪剂运动的弹道性质。
2022-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Dynamics of a simple model microswimmer in an anisotropic fluid: implications for alignment behavior and active transport in a nematic liquid crystal
最近的几个实验研究了自驱动细菌和胶体粒子在液晶中的取向和传输行为。相应地，我们从理论上研究了单轴各向异性流体中极小模型微游泳者的动力学行为。作为第一步，流体动力学格林函数提供响应于作用在各向异性流体上的局部力的所得到的流体流动解析地导出。在此基础上，分析了拉式和推式微泳子在各向异性流体中的行为。根据推进机制和不同的粘度的相对大小，我们发现对齐的游泳者平行或垂直于各向异性轴。特别地，在某些情况下也识别倾斜对准。所观察到的游泳者重新取向的结果之间的流体动力学耦合的自诱导流体流动和周围流体的各向异性，这扭曲了自生流场。我们支持我们的结果的一个简化的线性稳定性分析。我们的理论预测是在定性协议与最近的实验观察游泳细菌在液晶。它们支持利用宿主流体的可能可切换的各向异性来引导个体微泳者和活性颗粒沿着所要求的路径的目标，从而实现受控的主动运输。
2018-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective motion in a sheet of microswimmers
本研究数值模拟受限几何中微游泳者的集体运动，发现推进型呈现短程有序，牵引型出现长波密度不稳定并形成团簇，且壁的流体动力学屏蔽作用次要，几何限制主导集体状态。
2024-03-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Bending-compression coupling in extensible slender microswimmers
本文通过几何流体力学和微扰展开研究可伸长细长微型游泳体中弯曲与压缩/伸长的耦合，揭示该耦合可产生横向与旋转运动并增强机动性，同时证明李括号贡献对净位移计算的重要性。
2025-04-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
