Direct measurement of the flow field around swimming microorganisms
游动的微生物产生流动，影响它们的相互作用并改变它们悬浮液的流变学。虽然在理论上进行了广泛的研究，但这些流动尚未在任何自由游泳的微生物周围进行详细测量。我们报告这样的测量的微型植物团藻carteri和衣藻reinhardtii。卡特氏弧菌在水面上的微小的~0.3%的密度过剩导致了强主导的斯托克斯波贡献，而广泛假设的应力波流只是对次主导源偶极子项的修正。这意味着卡特弧菌的悬浮液具有与沉降颗粒的悬浮液相似的特征。在C. reinhardtii，其中显着的流体动力学相互作用很可能发生定性不同的“拉”应力波，并可以描述一个简单的三斯托克斯模型。
2010-08-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Force and torque-free helical tail robot to study low Reynolds number microorganism swimming
螺旋推进被许多微生物用于在粘性占主导地位的环境中游泳。它们的游泳动力学是比较好的理解，但详细的流场和驱动机制的研究仍然需要实现壁效应和流体动力学的相互作用。在这封信中，我们描述了一个自主游泳机器人与螺旋尾巴，在斯托克斯政权的发展。该装置使用一个基于电池的动力系统，带有一个微型电机，该电机将旋转速度施加到螺旋形尾部。速度、方向和激活由红外线遥控电子控制。由于机器人约5厘米长，我们使用高粘性流体来匹配雷诺数为$\text{Re} \lessapprox 0.1$。游泳速度的测量是针对一系列螺旋波长$λ$、头部几何形状和旋转速率$ω$进行的。我们提供了来自阻力理论的分析预测的实验测量的比较。这种无力和无扭矩的中性浮力游泳者比以前使用的设计更接近细菌的游泳策略，并为未来的应用提供了很大的潜力。
2021-11-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Influence of swimming strategy on microorganism separation by asymmetric obstacles
已经表明，由不对称障碍物的壁分隔的纳升室可以导致自推进微生物的不均匀分布。虽然它是公认的，这种整流效应产生的游泳者和非中心对称的支柱之间的相互作用，在这里，我们证明了数值，其效率是强烈依赖于详细的动态的个别微生物。特别地，对于运行和翻滚动力学的情况，运行长度的分布、旋转扩散和通过翻滚的运行取向记忆的部分保存是计算整流效率时的重要因素。此外，我们优化的几何尺寸的不对称的支柱，以最大限度地提高游泳者的浓度，我们说明了它如何可以用于排序的游泳策略在一个长阵列的平行障碍。
2013-05-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Swimming eukaryotic microorganisms exhibit a universal speed distribution
量化生物多样性的一种方法是确定一个分类群体或生境的具体特性的统计分布特征。生活在流体环境中的微生物，对他们来说运动是关键，利用各种各样的形状，形式和游泳策略产生的推进力。在这里，我们探讨的单细胞真核生物的游泳速度的可变性的基础上公布的数据。这些数据自然分为鞭毛类（鞭毛数量较少）和纤毛虫类（鞭毛数量为数十个或更多）。尽管这些群体之间的形态和大小的差异，游泳速度的两个概率分布准确地表示为对数正态分布，甚至四阶矩保持良好的一致性。按每个数据集的特征速度对分布进行缩放会导致崩溃到一个明显的普遍分布上。这些结果表明，一个普遍的方式生态位是由丰富的微生物填充。
2019-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic Attraction and Hindered Diffusion Govern First-passage Times of Swimming Microorganisms
本文数值研究了力偶极子微泳体到达无滑移壁面的首次到达时间，发现壁面附近受阻扩散会显著增加中位到达时间，而主动运动与水动力吸引的耦合在大佩克莱特数下加速到达，并导致推式泳体比拉式泳体更快到达的非单调偶极子强度依赖行为。
2025-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Distribution of particle displacements due to swimming microorganisms
Leptos等人的实验[Phys. Rev. Lett. 103，198 - 103（2009）]表明，受游动微生物影响的小颗粒的位移实现非高斯分布，然而其扩散地缩放--"扩散缩放“。“我们使用一个简单的模型，其中颗粒由于游泳者而经历反复的'踢'，以解释作为游泳者体积分数的函数的分布形状。净位移由单泳者特征函数的逆傅立叶变换确定。唯一可调的参数是我们的球形蠕动模型中的应力项的强度。我们给出了一个标准的漂移函数的时刻收敛到高斯分布，并表明实验观察到的扩散缩放是一个瞬态的第四时刻从弹道到线性政权的路径长度的缓慢交叉。我们还提出了一个简单的模型，对数漂移函数，可以解析求解。
2015-08-20 cond-mat.soft math.PR physics.flu-dyn
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
Directed swimming of Chlamydomonas reinhardtii near complex microstructures
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Peking University（北京大学）
本文研究莱茵衣藻在正弦周期性微结构附近的游动行为，发现其受几何约束影响倾向于聚集在结构底部，并将该现象归因于记忆效应与水动力吸引，最终通过改变微结构形状实现了对细胞游动的定向诱导。
2026-10-08 cond-mat.soft
The hydrodynamics of swimming microorganisms
粘性液体中的细胞运动是普遍存在的，并影响许多生物过程，包括繁殖，感染和海洋生物生态系统。在这里，我们审查的生物物理和机械原理的运动在小尺度相关的细胞游泳（几十微米及以下）。重点是基本的流动物理现象发生在这个惯性领域，重点是简单的物理图片。我们回顾了低雷诺数流动的基本特性，特别注意与游泳最相关的方面，如固体的阻力矩阵，流动奇点，净平移的运动学要求。然后，我们回顾经典的理论工作细胞运动：早期计算的速度游泳者规定的中风，并应用连续力理论和细长体理论鞭毛运动。在回顾了鞭毛被驱动的物理手段后，我们概述了活跃的研究领域，包括流体动力学相互作用，复杂流体中的生物运动，小规模人工游泳者的设计，以及运动策略的优化。
2008-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Microscale locomotion in a nematic liquid crystal
微生物经常遇到各向异性，例如在粘液和生物膜中。我们研究了环境流体的各向异性和弹性如何影响规定行程的游泳微生物的速度。最近的实验游泳细菌在各向异性环境中的动机，我们扩展了一个经典的游泳微生物模型，泰勒游泳片，驱动的横向或纵向行波在三维无扭曲的液晶液晶。我们计算的游泳速度和夹带的体积流量作为一个函数的游泳者的行程特性，以及弹性和流变性能的液晶。除了在小埃里克森数的情况下，在一个六角液晶的行为是定量和定性近似和在一个湍流参数附近的过渡到一个流动对齐的湍流，其中各向异性效应占主导地位的流体。我们还提出了一种新的方法，游泳或泵的可膨胀流体通过通过行波的导向器振荡沿刚性壁。
2015-09-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Differential Dynamic Microscopy: a High-Throughput Method for Characterizing the Motility of Microorganism
我们提出了一种快速，高通量的方法来表征微生物的运动在3D的基础上标准的成像显微镜。而不是跟踪单个细胞，我们分析的时空波动的强度从延时图像的样品，并获得中间散射函数（ISF）的系统。我们证明了我们的方法对两种不同类型的微生物：细菌，平滑游泳（只运行）和野生型（运行和翻滚）大肠杆菌，和双鞭毛虫衣原体reinhardtii。我们使用计算机模拟和粒子跟踪验证的方法。从ISF中，我们能够提取E. coli的游动速度分布、游动细胞比例和扩散系数; reinhardtii：游泳速度分布，振荡动力学的振幅和频率。在这两种情况下，对\approx 10 ^4个细胞的运动参数取平均值，并在几分钟内获得。
2012-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Swimming near Deformable Membranes at Low Reynolds Number
在自然界中，很少发现微生物在无限的流体中自由游动。相反，它们通常会遇到其他生物体、硬壁或可变形的边界，如自由界面或膜。游泳者和附近物体之间的流体动力学相互作用导致许多有趣的现象，例如游泳速度的变化，积累或转向的趋势，以及协调的鞭毛跳动。受这类问题的启发，我们研究了变形边界附近的微生物运动。我们计算了无限长的游泳者接近分离两种流体的柔性表面的速度，我们还计算了柔性表面的变形和游泳速度。当柔性界面两侧的粘度不同时，我们发现流体沿着或逆着游泳方向被泵送，这取决于哪个粘度更大。
2013-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Enhancing Transport Barriers with Swimming Microorganisms in Chaotic Flows
本文通过实验与模型研究游动大肠杆菌与流场拉格朗日相干结构的相互作用，发现椭圆型LCSs可形成输运屏障并排斥细长游动者，从而降低标量通量。
2024-04-12 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Life in Complex Fluids: Swimming in Polymers
许多微生物在复杂的流体中生存和进化。实例包括宫颈粘液中的哺乳动物精子、蠕虫（例如，\textit{C. elegans}）和细菌（例如，\textit{H. pylori}）在我们的胃粘膜。由于（生物）聚合物和/或固体的存在，这种流体通常显示出对（剪切）应力的非线性响应，包括粘弹性和剪切速率依赖性粘度。这些微生物与其流体环境之间的成功相互作用对于许多生物过程的功能至关重要，包括人类生殖，生态系统动力学以及疾病和感染的传播。这种相互作用通常是非线性的，并可能导致许多意想不到的行为。在这里，我将讨论在表征，建模和理解模型微生物在粘弹性和剪切稀化流体中的游泳行为的发展。将探索三种主要微生物：（i）线虫\textit{C. elegans}，一种波动游泳者;（ii）绿藻\textit{C. reinhardtii}，一种拉动游泳者;（iii）细菌\textit{E. coli}，一种推动游泳者。还将讨论与人工粒子/游泳者的调查;这些研究有助于将生物学与流体动力学效应脱钩。我们将探索这些游泳者的步态，几何形状，驱动和流体流变行为之间的相互作用，主要使用实验，并讨论这些结果相对于数值和分析预测。
2022-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Minimal model for transient swimming in a liquid crystal
当微生物在牛顿流体（例如水）中从静止开始游泳时，它迅速达到其稳态游泳速度，因为当雷诺数小时，速度场的变化迅速传播。然而，游泳微生物通常在复杂流体中发现或研究。因为这些流体具有长的弛豫时间，所以达到稳定状态游泳速度的时间也可以很长。在这篇文章中，我们研究了最简单的液晶流体：二维六角液晶薄膜中的游动启动问题。我们研究了启动时间对锚固强度和埃里克森数的依赖性，埃里克森数是粘性应力与弹性应力的比值。对于强锚定，流体流动立即开始，但液晶场和游动速度在与液晶的弛豫时间成比例的时间之后达到其正弦稳态值。当埃里克森数高时，对于任何锚固强度，行为与强锚固情况相同。我们还发现，启动时间增加的旋转粘度的剪切粘度的比率，然后最终饱和，一旦旋转粘度是远远大于剪切粘度。
2015-06-04 cond-mat.soft 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
Dynamic Force Measurements on Swimming Chlamydomonas Cells using Micropipette Force Sensors
鞭毛和纤毛是细胞的附属物，继承了微生物生命的基本功能，包括感知和导航环境。为了推动游动的微生物，它们通过周期性运动取代周围的流体，而精确定时的跳动模式调制使细胞能够朝向或远离特定位置。然而，表征动态力是具有挑战性的，通常依赖于间接的实验方法。在这里，我们提出了在受控环境中的运动的莱茵衣藻细胞的动态力的直接体内测量。该实验是基于部分抽吸的微量移液器力传感器的尖端处的活微生物，并以高的时间和亚像素空间分辨率光学记录微量移液器的位置波动。我们提供了一个分析的弹性流体动力学模型的微针力传感器，并描述了如何获得微针的全频率响应函数的动态力校准。使用这种方法，我们发现动态的力量在自由游泳活动的个人莱茵衣藻细胞的23 $\pm$ 5 pN产生的协调鞭毛跳动的频率为51 $\pm$ 6 Hz。除了在散装液体环境中的测量，我们研究了在固/液界面附近的双鞭毛微型游泳者的动态力。随着我们逐渐减少游泳的微生物到界面的距离，我们测量到在大于跳动鞭毛的最大范围的距离处显著增强的力传递，突出了流体动力学相互作用对于有鞭毛的微生物遇到表面的情况的重要性。
2019-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Taylor line swimming in microchannels and cubic lattices of obstacles
微生物自然地在微结构流体中移动。利用多粒子碰撞动力学的模拟方法，研究了二维微通道和立方格子障碍物中波动泰勒线的运动，这两种微结构代表了微结构环境的简单形式。在微通道中，泰勒线沿着通道壁以锐角游动，由于与边界壁的流体动力学相互作用，具有明显增强的游动速度。在稀疏障碍网格中，游泳速度也得到提高，而在密集障碍网格中，则出现几何游泳。这种新型游泳的特点是游泳速度大大提高。由于泰勒线必须适合障碍物晶格的自由空间，因此游泳速度接近于沿着泰勒线行进的弯曲波的相速度。当泰勒线在格子中调整其游动运动时，泰勒线选择特定的游动方向，我们通过格子向量对该方向进行分类。当绘制游泳速度与晶格向量大小的关系时，我们所有的数据都在一条主曲线上崩溃。最后，我们还报告了更复杂的轨迹内的障碍格。
2016-04-08 cond-mat.soft
Diffusive dynamics of elongated particles in active colloidal suspensions of motile algae
游动微生物可以影响被动颗粒的扩散。这种游泳者-颗粒相互作用的效果取决于不同的性质，例如游泳者的流体动力场以及微生物和颗粒的相对大小。我们研究了一种增强扩散的二氧化硅双峰悬浮液中的微藻莱茵衣藻在一个扁平的毛细管。根据浓度的microswimmer，平移和旋转扩散常数增加了几个数量级的存在下的游泳藻类。对于低浓度的藻类，双峰表现出布朗运动的波动流场产生的多个游泳者。人们可以观察到由偶尔的大位移引起的强扩散输运。在高泳客浓度，藻类形成密集的集群，其中的旋转运动的双峰显示subdiffusive行为，而平移运动保持扩散。
2020-05-07 cond-mat.soft
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
Pairwise scattering and bound states of spherical microorganisms
游泳微生物对之间的动态相互作用支持较大悬浮液的集体行为，但准确计算成对碰撞通常需要使用数值模拟，其中流体动力学相互作用得到充分解决。在本文中，我们利用解析表达式的力和扭矩作用在两个紧密分离的球形蠕动-精确到二阶的细胞间距蠕动半径的比率-为了计算它们的散射动力学。注意力仅限于方向向量位于同一平面的蠕动。我们将底重蠕动体的出射角与入射角、蠕动体参数$β$和外部引力场的强度联系起来，发现了瞬态散射、定态束缚态、成对游动运动和圆形轨道。这些结果比较以及使用边界元法获得的完整的数值解，突出了润滑理论的实用性。我们希望这些结果将是有用的球形微生物悬浮液的中尺度连续模型的基础。
2021-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Hydrodynamics of chiral squirmers
许多微生物在环境流体中游动时采取手性路径。在本文中，我们研究了两个手征游泳者的联合行为，利用著名的蠕动模型考虑手征不对称性。相反，简单的蠕动模型，它有一个轴对称分布的滑移速度，手征蠕动有额外的不对称性的表面滑移，这有助于平移和旋转的运动。因此，游泳轨迹可以成为螺旋形和手征不对称性出现在流动模式。我们研究了一对手征蠕动体的游动轨迹。这种相互作用会导致吸引和排斥，在某些情况下甚至会导致有界状态，其中游泳者继续周期性地围绕共同的平均轨迹运行。这种束缚态是游泳者手征性质的标志。我们的研究可能与纤毛微生物的集体运动有关。
2021-06-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Taylor's swimming sheet near a soft boundary
本文研究Taylor游泳片在软边界附近的动力学修正，发现横向波游泳速度减小、纵向波增大，并分析了能量变化与软边界振荡同步性。
2024-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.class-ph
Simulations of Brownian tracer transport in squirmer suspensions
除了能够向具有有利生活条件的环境移动外，微生物的游泳也与其种群的混合和营养吸收的改善有关。实验研究表明，布朗示踪粒子由于游泳者而表现出增强的扩散，而理论模型将这种扩散的增加与游泳微生物产生的流动以及与游泳者的碰撞联系起来。在这项研究中，我们进行了详细的模拟的基础上的力耦合方法及其最近的扩展游泳和布朗粒子研究示踪剂的位移和有效示踪剂的扩散蠕动悬浮液。通过隔离效应，如流体动力学或空间相互作用，我们提供物理洞察示踪剂位移分布的实验测量。此外，我们将结果扩展到半稀释制度，其中游泳者-游泳者相互作用影响示踪剂运输和有效示踪剂扩散率不再与游泳者体积分数呈线性关系。
2017-11-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Entrainment dominates the interaction of microalgae with micron-sized objects
游动微生物的不断活动对周围的微观物体具有直接的物理效应，导致远远超过布朗运动水平的增强扩散，可能影响非运动的浮游物种和微粒漂移物的空间分布。在这里，我们详细研究了真核生物鞭毛，代表绿色microplasma莱茵衣藻，微粒上的效果。宏观和微观实验表明，微生物胶体相互作用的主要是罕见的近距离接触，导致大位移，通过直接夹带。模拟和理论建模表明，随后的粒子动力学可以理解为一个简单的跳跃扩散过程，结合标准扩散与泊松分布跳跃。这种异质动态很可能取决于通用功能的近场游泳微生物与前端安装鞭毛。
2016-02-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Enhanced active swimming in viscoelastic fluids
游动微生物通常在具有复杂流变性的流体中自推进。虽然过去的理论研究表明，流体的粘弹性应该会阻碍它们的运动，但最近对挥动游泳者的实验表明，运动可能会增强非牛顿运动。我们提出了一个物理机制，基于流体-结构相互作用，导致在粘弹性流体中以比牛顿流体更高的速度游泳。使用泰勒的二维游泳片模型，我们解决了作为外部流体应力，内部驱动力矩和被动弹性阻力之间的平衡的主动游泳者的形状。我们表明，这种动态平衡导致一个通用的过渡，从受阻刚性游泳增强灵活的运动。结果被物理解释为由于粘弹性吸力增加游泳振幅在非牛顿流体和克服粘弹性阻尼。
2014-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Navigation of micro-swimmers in steady flow: the importance of symmetries
海洋微生物在海洋中航行时必须应对复杂的流动模式，甚至湍流。为了生存，它们必须避免被捕食，并寻找有效的能源。在分析可能的生存策略的一个主要困难是，在非线性流的环境线索的时间序列是复杂的，它取决于生物体所采取的决定。确定和评估最佳策略的一种方法是强化学习。在原理证明研究中，Colabrese等人[Phys.Rev.Lett.（2017）]使用这种方法来找出涡流中的微型游泳者如何在给定固定游泳速度的情况下尽可能快地向表面航行。游泳者在实验室框架中测量其瞬时游泳方向和局部流动涡度，并通过向左、向右、向上或向下游泳来对这些提示作出反应。然而，通常能动微生物测量局部流动而不是全局信息，并且它只能对局部流动做出反应，因为通常它不能访问全局信息（例如实验室框架中的向上或向下）。在这里，我们分析最优策略与本地信号和行动，不涉及实验室的框架。我们证明，为了以有意义的方式学习垂直迁移，需要打破沉默。使用强化学习，我们分析了微生物已知测量的不同环境线索集的新兴策略。
2021-04-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Locomotion and transport in a hexatic liquid crystal
细菌和其他微生物的游动行为对它们游动的流体的物理性质很敏感。粘液、生物膜和人工液晶溶液都是细菌通常遇到的具有一定程度各向异性的流体的例子。在这篇文章中，我们研究液晶顺序如何影响游泳运动员的游泳行为。游泳者是G. I.泰勒游泳单：一条由小振幅横向或纵向行波起伏的无限长的线。该流体是一种二维六向列液晶膜。我们计算的功率耗散，游泳速度，和流体夹带作为一个函数的游泳者的波形以及六角膜的属性，如旋转和剪切粘度，弗兰克弹性常数，和锚定强度的通量。偏离各向同性的行为是最大的大旋转粘度和弱锚定边界条件的取向顺序在游泳者表面。我们甚至发现，如果旋转粘度是足够大的，横波游泳者在相反的方向上移动相对于游泳者在各向同性流体。
2014-07-08 cond-mat.soft
Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles
许多能动的微生物调整它们相对于引力场的游动运动，从而抵消沉降到地面的作用。这种重力行为通常是不均匀质量分布的结果，其将微生物排列成类似于浮标。然而，也有人认为，重力轴也可能是由几何学上的前后不对称造成的，这是许多自我推进的生物体的典型特征。尽管有几次尝试，没有确凿的证据，这种不对称引起的引力运动存在。在这里，我们研究的运动的不对称自推进胶体粒子，具有均匀的质量密度和一个明确的形状。在实验和理论建模中，我们证明了形状各向异性本身就足以引起重力运动，无论是优先向上或向下游泳。此外，还观察到类似余摆线的轨迹横向于重力的方向。
2015-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Seeing new depths: Three-dimensional flow of a free-swimming alga
University of Minnesota（明尼苏达大学）；National Institute for Mathematical Sciences（韩国数学科学研究所）；Chung-Ang University（中央大学）；University at Buffalo（布法罗纽约州立大学）；University of Cincinnati（辛辛那提大学）
研究通过直接测量自由游动绿藻的三维流场，揭示了二维流特征如何在三维中形成，并发现低雷诺数流现象及流结构拓扑变化，提升对微生物运动的量化精度。
2026-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Low-Reynolds number swimming in gels
许多微生物游动通过凝胶，具有非零零频率弹性剪切模量的材料，如粘液。生物凝胶通常是异质的，包含结构支架（网络）和流体溶剂。我们分析了在凝胶的“双流体”模型中经历横向行波变形的无限大薄片的游动，该模型将网络和溶剂作为两个耦合的弹性和粘性连续相。我们表明，几何非线性必须纳入物理上有意义的结果。我们确定了一个过渡制度的网络变形，以遵循溶剂流动和网络是固定的。当网络静止时，相对于牛顿流体，游泳速度可以提高。压缩效应也可以提高游泳速度。最后，微观细节的片材网络相互作用的影响之间的边界条件的片材和网络。这些边界条件的性质显著影响游泳速度。
2010-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motility and pair-wise interactions of chemically active droplets in 1-D confinement
本文实验研究方形毛细管中自推进 5CB 液滴的一维个体与成对运动，揭示 PEO、甘油等改变 Péclet 数时，约束诱导的化学场变化如何影响运动及追逐、散射等相互作用。
2024-01-20 cond-mat.soft
Filter-feeding, near-field flows, and the morphologies of colonial choanoflagellates
从环境中有效吸收营养物质是所有微生物适应性的重要组成部分，其对大小的依赖可能揭示进化过渡到多细胞的起源的线索。由于摄取率的潜在好处必须在其他成本和大小的好处的背景下看待，例如变化的捕食率和与更大和更复杂的身体计划相关的代谢成本增加，摄取率本身不一定是进化优化的。吸收率可以强烈依赖于当地的生物体的几何形状和游泳速度，为特定的安排提供选择性的压力。在这里，我们研究这些问题的choanoflagellates，滤食微生物是最接近的亲戚的动物。我们探讨了不同形态的变化的choanoflagellete $Salpingoeca~rosetta$，它可以存在作为一个游泳的细胞，一个无柄的泡囊细胞，并在各种形状的细胞集落。在没有其他要求的情况下，在均匀的营养环境中，我们发现，最大限度地提高微绒毛的衣领过滤器喂养的最佳策略是快速游泳，这有利于游泳单细胞。在大的外部流量，无柄囊细胞变得有利。猎物扩散的影响进行了讨论，也被发现是游泳单细胞的优势。
2016-07-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Resonant alignment of microswimmer trajectories in oscillatory shear flows
在环境、工业应用和流变学研究中，游动微生物通常会经历振荡流动。我们实验研究了盐藻{ \it Dunaliella salina}对振荡剪切流的响应，并报告了令人惊讶的发现，即藻类的游动轨迹垂直于流动剪切平面。该排序在驱动参数空间中具有共振的特征。定性再现的行为是由一个简单的模型和模拟占螺旋游泳，提供的机制和标准的共振振幅和频率。这项工作的积极振荡流变学和工业藻类加工的影响进行了讨论。
2016-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Flagellar Kinematics and Swimming of Algal Cells in Viscoelastic Fluids
微生物的运动性受到它们与它们所居住的流体环境的流体动力学相互作用的极大影响。我们表明，通过直接的实验观察的双鞭毛的莱茵衣原体，流体的弹性和粘度强烈影响的跳动模式-步态-从而控制推进速度。流体的弹性使周期性弯曲的拍频和波速都得到了提高。尽管有这些改进，但对于足够弹性的流体，水母的净游泳速度受到阻碍。这种复杂的反应的起源在于弹性引起的变化之间的相互作用在鞭毛周期的空间和时间方面的建立和随后的松弛的弹性应力在功率和恢复中风。
2015-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Three-dimensional chiral active Ornstein-Uhlenbeck model for helical motion of microorganisms
本文针对微生物三维螺旋运动，提出手性活性Ornstein-Uhlenbeck模型，解析求解并模拟验证，发现手性旋转增强运动持续性，增大长时间均方位移，并在疟原虫实验中证实。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Giant enhancement of bacterial upstream swimming in macromolecular flows
研究结合显微镜与数值模拟发现，大分子流体的粘弹性和剪切稀化粘度特性使细菌在固体表面附近的逆流游动能力较牛顿流体增强约一个数量级，剪切速率极限达65 s^-1。
2024-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
The colloidal nature of complex fluids leads to enhanced motility of flagellated bacteria
人类微生物组和海洋及土壤生态系统中微生物的自然栖息地充满了胶体和大分子，这些胶体和大分子赋予了非牛顿流动特性，极大地影响了游泳微生物的运动。虽然低雷诺数流体动力学的鞭毛细菌在简单的牛顿流体中的游泳已经得到很好的发展，我们的理解复杂的非牛顿流体中的细菌运动仍然是原始的。即使经过六十年的研究，关于聚合物溶液中细菌运动增强的性质和起源的基本问题仍在争论中。在这里，我们研究了不同大小和体积分数的胶体悬浮液中的鞭毛细菌的运动性。我们发现，稀释的胶体悬浮液中的细菌定量显示相同的运动行为，在稀释的聚合物溶液中，其中一个普遍的颗粒大小依赖的运动增强高达80%的发现，伴随着强烈的抑制细菌摆动。凭借良好控制的大小和胶体的硬球性质，这一发现不仅解决了复杂流体中细菌运动增强的长期争议，而且挑战了所有现有的理论，使用聚合物动力学来解决稀聚合物溶液中鞭毛细菌的游泳。我们进一步开发了一个简单的物理模型，将胶体性质的复杂流体，定量解释细菌摆动动力学和流动性增强胶体和聚合物流体。我们的研究揭示了复杂流体中细菌令人困惑的运动行为，这些行为与广泛的微生物过程有关，并为复杂环境中工程细菌游泳提供了基石。
2022-03-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Synchronization of flexible sheets
当在很近的地方游动时，一些微生物如精子会使它们的鞭毛同步。以前的工作游泳床单表明，这种同步需要一个几何不对称的鞭毛波形。在这里，我们询问一个物理机制，负责这种破坏性质。使用一个二维模型，我们表明，柔性片材与对称的内部强迫，变形时，通过一个薄的流体层相互作用，以这样一种方式，系统地打破整体波形对称性，从而始终演变成一个同相构象的能量耗散最小化。这种动力学被证明是数学上等价于在粘弹性流体中获得的规定波形，强调弹性的至关重要的作用，破胶和同步。
2011-08-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Undulatory swimming in viscoelastic fluids under confinement
该研究以秀丽隐杆线虫为模型，实验探究受限条件下粘弹性流体中的波动式游动行为，结合弹性细丝理论揭示了受限强度与魏森贝格数对应力响应及游动速度的调控机制。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Helical propulsion in shear-thinning fluids
游动的微生物通常必须在复杂的非牛顿流体中推进。我们进行了实验与自我推进的螺旋游泳驱动的外部旋转磁场在剪切变稀，非弹性流体。类似于在牛顿流体中游泳，我们获得每种流体的运动速度，其与游泳者的旋转频率成线性比例，但具有取决于流体的功率指数的前因子。流体被认为总是增加螺旋的游泳速度，最多快50%，因此是迄今为止报道的最强的此类类型。流体动力指数约为0.6时的最大相对增加。使用简单的缩放，我们认为，速度的增加是不是由于螺旋丝周围的流动粘度的局部降低，而是假设，它起源于限制，由于周围的游泳者的粘度分层的效果。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phase-separation models for swimming enhancement in complex fluids
游泳细胞通常不得不自推进通过显示非牛顿流变学的流体。虽然过去的理论工作似乎表明，复杂流体产生的应力应该系统地阻碍低雷诺数运动，实验观察表明，运动增强是可能的。在本文中，我们提出了一个物理机制的运动增强的微观游泳者在复杂的流体。它是基于这样的事实，即微结构的流体通常会在表面附近发生相分离，导致存在低粘度层，从而促进滑动并降低游泳者表面附近的粘性摩擦。我们使用两个模型来解决这种相分离的后果：一个非零的表观滑移长度的流体，然后在一个薄层附近的游泳者的粘度变化的显式建模。考虑到两个典型的低雷诺数运动，即一个二维片和一个三维细丝的波动运动的设置，我们表明，相分离系统地增加运动速度，可能由数量级。最后，我们用最近的实验结果来验证我们的预测。
2015-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Magnetotaxis in droplet microswimmers
本文研究液滴微型游泳者的趋磁性，发现亚特斯拉磁场的弱抗磁扭矩足以显著影响自驱动向列相微液滴的动力学，并通过改变液滴尺寸、受限状态和磁场强度揭示出丰富多样的动力学模式。
2024-09-22 cond-mat.soft
Undulatory swimming in suspensions and networks of flexible filaments
本研究模拟波动式游动者在三维弹性细丝悬浮液和网络中的运动，发现环境柔度和细丝浓度对游动速度有不同影响，速度提升源于流体动力学相互作用，下降则因细丝限制推进波振幅，结果与连续黏弹性流体模型更接近。
2024-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The carnivorous plant Genlisea harnesses active particle dynamics to prey on microfauna
本研究通过实验和模拟揭示狸藻属植物利用活性粒子物理整流细菌游动，建立局部细菌流并借助碳源梯度吸引微型动物，实现高效捕食。
2023-10-12 cond-mat.soft q-bio.QM
Enhancement of bacterial rheotaxis in non-Newtonian fluids
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
本文通过实验、数值模拟与理论建模研究非牛顿剪切稀化流体中近壁大肠杆菌的趋流性，发现其逆流游动较牛顿流体增强一个数量级，并揭示扭矩对齐机制。
2024-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Protocol to evaluate the viscoelastic response of a polymer suspension to an active agent via oscillatory shear rheometry
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海微系统信息技术研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）
本文提出了一种通过振荡剪切流变仪评估活性剂对聚合物悬浮液黏弹性响应的协议，利用游泳行为与振荡板的对应关系，实现对黏弹性特性的量化分析。
2025-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Effects of shear thinning viscosity and viscoelastic stresses on flagellated bacteria motility
鞭毛细菌在非牛顿介质中游动的行为仍然是一个具有矛盾和冲突结果的领域。我们报告的行为，野生型和平滑游泳E。大肠杆菌在牛顿、剪切稀化和粘弹性介质中的运动轨迹和游动速度，用三维实时跟踪显微镜进行测量。我们的结论是，在高浓度的甲基纤维素溶液中的速度提高是由于剪切稀化和分析模型来支持我们的实验结果。我们认为，剪切诱导的正常应力减少细胞游泳过程中的摆动行为，但不显着影响游泳速度。然而，正应力在缩短鞭毛成束时间从而改变游动速度分布方面起着重要作用。一个无量纲的数字，“扼杀数”（Str）的建议，并用于表征这种效果。
2020-04-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Viscotaxis of Beating Flagella at Surfaces
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）
通过数值模拟和理论分析，研究鞭毛在粘度梯度中的正向粘性趋向性行为，并量化旋转速度与拍动参数的关系。
2024-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Synthetic Chemotaxis and Collective Behavior in Active Matter
概要：在化学梯度中导航的能力，称为趋化性，对微生物的生存至关重要。它使它们能够找到食物并逃离毒素。许多微生物可以产生它们自己响应的化学物质，并使用趋化性来发出信号，这可以被视为一种基本的通信形式。值得注意的是，过去的十年已经发展了合成的微型游泳者，例如自泳Janus胶体，它可以通过溶剂自推进，类似于细菌和其他微生物。其自我推进的机制涉及某些化学物质的生产。参与自我推进机制的相同化学物质也作用于其他微型游泳者，并使其游泳方向偏向（或远离）生产微型游泳者。因此，合成的微泳者提供了一种合成的类似物，以趋化运动的微生物。当这些相互作用是有吸引力的，它们通常会导致集群，即使在低粒子密度。这些集群可能会继续向macrophase分离，类似Dictyosteoblasts聚集，或者，如最近所示，导致动态集群的自限大小（动态集群），如在实验中看到的自泳Janus胶体。除了经典的情况下，化学相互作用是有吸引力的，这个帐户讨论，作为其主要重点，排斥化学相互作用，它可以创建一个新的和鲜为人知的途径，斑图形成在活性系统导致各种图案，包括集群的化学物质，行波和更复杂的不断重塑模式的外壳包围。在所有这些情况下，“合成信号”可以至关重要地决定合成的微型游泳者集合的集体行为，并可以用作设计原则，以创建能动活性颗粒的图案。
2018-10-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Small-amplitude swimmers can self-propel faster in viscoelastic fluids
许多小型生物体利用其身体或附属物的行波状变形在粘性流体中自我推进。例如，小型线虫利用全身波动在土壤中移动，或精子利用鞭毛波在粘液中游动。当自推进发生在非牛顿流体中时，一个基本问题是运动是否会比在牛顿环境中更快或更慢。在这里，我们考虑的一般问题，游泳使用小振幅周期波的粘弹性流体所描述的经典Oldrophil-B本构关系。使用泰勒的游泳片模型，我们表明，如果所有的行波在同一方向上移动，运动速度的生物体系统地降低。然而，如果我们允许波在两个相反的方向上行进，我们表明，这可能会导致游泳速度的提高，这在物理上被解释为由于具有不同频率的波的非对称粘弹性阻尼。游泳方向的改变也是可能的。通过详细分析使用两个或三个行波游泳的情况下，我们表明，游泳可以提高在粘弹性流体中的所有德博拉数低于临界值，或三个波或更多，只有一个有限的，非零范围内的德博拉数，在这种情况下，需要在流体中的弹性有限的量，以增加游泳速度。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
