Bacterial Motility Enhances Adhesion to Oil Droplets
细菌在液-液界面上的粘附可以在分散烃的生物降解以及生物化学和生物过程工程中发挥作用。而热力学因素支撑的粘附得到了很好的研究，细菌活性对adhesion.here的作用探索较少，我们表明，细菌的运动性增强粘附表面修饰的油滴分散在人工海水。与不活动的盐单胞菌相比，活动的盐单胞菌Titanicae粘附于用二辛基磺基琥珀酸钠（DOSS）稳定的十六烷液滴更快且表面密度更大。titanicae，其鞭毛运动通过添加质子解偶联剂而被阻止。增加DOSS的浓度降低了表面密度的运动和nonmotile细菌作为一个结果，降低界面张力。
2020-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Diffusive transport without detailed balance in motile bacteria: Does microbiology need statistical physics?
微生物学是研究微生物，特别是细菌的科学。许多细菌是能动的：它们能够自我推进。其中，一个重要的类执行所谓的运行和翻滚运动：他们遵循一个相当直的路径一定的距离，然后突然改变方向，然后重复这个过程。这种动力学与布朗运动（它在大尺度上是扩散的）有一些共同之处，也有一些相反的地方。具体而言，运动参数，如运行速度和翻滚速率取决于当地环境，因此可以在空间中变化。当它们这样做时，即使达到了稳定状态，这在时间反演下通常也不是不变的：细致平衡原理，它恢复了热平衡系统的微观时间反演对称性，在运动细菌中是不存在的。这种细致平衡的缺乏（由驱动运动的化学能通量所允许）给粗心的建模者带来了陷阱。在这里，我回顾了一些统计力学模型的细菌运动，提出他们作为一个范例，探索扩散没有细致平衡。我还讨论了在何种程度上统计物理学是有用的，在理解真实的或潜在的微生物实验。
2012-08-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Front structure and dynamics in dense colonies of motile bacteria: Role of active turbulence
我们研究了一个细菌菌落的传播经历湍流一样的集体运动。我们提出了两个最低限度的模型来研究人口增长和湍流产生的相干结构之间的相互作用。利用直接数值模拟（DNS）的建议的模型，我们发现，湍流有两个突出的影响殖民地的空间增长：（a）前的速度提高，（b）前变得皱巴巴的。这两种效应，我们强调使用统计工具，在我们的两个模型中是显着不同的。我们还表明，在某些制度下，在随机流的褶皱前结构和被动标量锋。
2016-08-03 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Intermittent Attractive Interactions Lead to Microphase Separation in Non-motile Active Matter
非运动的活性物质表现出广泛的非平衡集体现象，但文献中的例子非常缺乏。我们提出了一个微观模型的灵感来自细菌{ \it脑膜炎奈瑟氏菌}，其中扩散剂感觉间歇性的吸引力。通过一个正式的粗粒化程序，我们表明，这个真正的标量模型的活性物质表现出时间反演对称性破缺条款定义的{ \it活动模型B+}类。特别是，我们确认微相分离的存在下，通过数值求解动力学方程。我们表明，开关速率控制的相互作用提供了一个调节机制，调整典型的集群大小，例如，在通过IV型菌毛相互作用的细菌种群。
2022-01-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spreading of non-motile bacteria on a hard agar plate: Comparison between agent-based and stochastic simulations
我们研究了一个非运动的细菌菌落在硬琼脂平板上的传播，使用基于代理和连续模型。我们表明，传播动力学依赖于初始营养浓度，运动性和固有的人口噪声。人口波动是固有的基于代理的模型，而连续模型，我们通过使用随机朗之万方程来模拟它们。我们发现，固有的人口波动加上非线性扩散导致从扩散限制聚集（DLA）型形态的过渡到伊甸园状形态的初始营养浓度降低。
2017-10-21 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.CB
On the growth of non-motile bacteria colonies: an agent-based model for pattern formation
在细菌菌落的生长中，根据外部条件和细菌种类，在实验中观察到各种各样的复杂模式。通常，现有的模型采用反应扩散方程系统或由基于规则的生长过程组成，并且仅限于离散晶格。相比之下，这里提出的二维模型是一个非格子模拟，其中细菌被建模为刚性圆，营养物质是点状布朗粒子。通过改变营养物质的扩散和浓度，我们模拟了各种各样的形态，从圆形和紧凑的非常分支的模式，与实验观察兼容。的比例关系被发现之间的界面中的细胞的数量和细胞的总数，具有两个特征的制度。这些制度对应于紧凑和分支的模式，这是表现出足够小和大的殖民地，分别。此外，我们通过分析生长几率的多重分形性质，验证了在结构中观察到的屏蔽效应。
2019-11-11 physics.bio-ph
Differential Dynamic Microscopy of Bacterial Motility
我们展示了“差分动态显微镜”（DDM）的快速，高通量的活性粒子的动态特性。具体而言，我们的特点游泳速度分布和运动细胞的比例在大肠杆菌细菌悬浮液。通过对~10^4个细胞进行平均，与传统跟踪相比，我们的结果非常准确。非运动细胞的扩散率增加的量与运动细胞的浓度成比例。
2010-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Clustering of bacteria with heterogeneous motility
我们研究了一个模式蓝藻\textit{Synechocystis}成小菌落的聚类。允许细菌扩散到不同硬度的表面上，并通过聚集和分离与其他细菌相互作用。我们发现软表面比硬表面产生更多的小菌落。这种效应与细菌动力学的异质性有关，如运动细胞的比例所示。一个动力学模型，强调细胞之间的特定相互作用，辅以广泛的数值模拟，考虑到各种运动量，充分描述了实验结果。运动细胞的高比例增强了分散而不是聚集。
2020-03-03 physics.bio-ph
Non-universality of front fluctuations for compact colonies of non-motile bacteria
在培养皿上生长的紧凑细菌菌落的正面是著名的伊甸园或Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）普适类中非平衡波动的典型实例。虽然在许多实验中，标度指数与预期的KPZ值有很大的不同，但这种分歧的来源仍然知之甚少。我们用B. subtilis 168和E.大肠杆菌ATCC 25922在导致紧凑的菌落的条件下，在经典的所谓的伊甸园制度，其中个体运动性被抑制。非KPZ标度确实观察到所有可访问的时间，KPZ渐近被排除在我们的实验中，由于前分支随时间的单调增加。一个有效的模型的模拟表明，由于扩散形态的不稳定性，同意从相关的生物反应扩散过程的详细模型的预期发生的瞬态非普遍缩放。
2018-07-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Motile Escherichia coli-laden Droplets Exhibit Reduced Adhesion and Anomalous Wetting Behavior
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
研究通过实验发现，含活大肠杆菌的液滴比含死菌的液滴表面粘附力更低，且浓度越高粘附力越小，原因是活菌的鞭毛运动抵抗蒸发驱动流，产生集体动力学，促进接触线解钉，从而降低粘附。
2026-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Run-to-Tumble Variability Controls the Surface Residence Times of ${\it E.~coli}$ Bacteria
已知能动细菌在表面积累，最终导致细菌运动性和生物膜形成的变化。我们使用一种新的双色，三维拉格朗日跟踪技术，同时遵循的机构和鞭毛的野生型${\it Escherichia~coli}$。我们观察到长的表面停留时间和表面逃逸主要对应于立即先行翻滚。一个运动模型占一个大的行为变化，在运行时间内，再现所有的实验结果，并给出了新的见解表面捕获效率。
2022-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Tilt-induced polar order and topological defects in growing bacterial populations
杆状细菌，如大肠杆菌，通常生活形成土堆状菌落。它们最初在表面上二维生长，最终实现三维生长。虽然最近有报道称，三维生长是由运动细菌种群中缠绕数$+1/2$的拓扑缺陷促进的，但细胞排列在非运动情况下如何发挥作用在很大程度上是未知的。在这里，我们调查的相关性，拓扑缺陷的菌落形成过程中的非运动E。大肠杆菌群体，并发现这两个$\pm 1/2$拓扑缺陷有助于三维生长。通过分析集落底层的细胞流动，我们观察到在集落生长的初始阶段，$+1/2$缺陷吸引细胞，而$-1/2$缺陷排斥细胞，这与以前对运动细胞的研究一致。然而，后来，细胞也逐渐流向$-1/2$缺陷，与现有知识形成鲜明对比。通过共聚焦显微镜研究三维细胞取向，我们发现缺陷附近的细胞有很强的垂直倾斜。至关重要的是，这导致了极性顺序在其他二维细胞取向中的出现。我们扩展了活性向列相的理论，将此极性顺序和垂直倾斜，这成功地解释了涌入$-1/2$缺陷的极性诱导力。我们的工作表明，三维细胞取向可能会导致活性向列相的性质，特别是那些拓扑缺陷，这可能是一般相关的活性物质系统驱动的细胞生长，而不是自推进的急剧变化。
2022-07-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
In-situ determination of the mechanical properties of gliding or non-motile bacteria by Atomic Force Microscopy under physiological conditions without immobilization
我们提出了一个关于原子力显微镜成像的生活，移动或自固定，细菌在其真正的生理液体介质。不需要外部固定方案，既不需要化学的也不需要机械的。首次用原子力显微镜研究了革兰氏阴性念珠藻在表面的自然滑动运动，其速度可达900 μ m/h。这是可能的，这要归功于一个温和的样品制备过程和AFM程序的改进组合，该程序基于在每个像素处制作的快速和完整的力-距离曲线，大大减少了横向力。未检测到空间分辨率或成像速率的限制。革兰氏阳性和非运动的Rhodococcus wratislaviensis细菌进行了研究。从接近曲线，杨氏模量和膨压测量的两个菌株在不同的滑动速度和范围从20至105 MPa和40至310 kPa取决于细菌和滑动速度。对于念珠藻，观察到具有较高刚度值的空间有限区域。相关的空间周期远高于念珠藻根瘤的平均长度。这是解释了一个不均匀的机械激活结节念珠藻。我们还观察到在念珠藻细菌周围存在软的细胞外基质（ECM）。两种菌株都留下了厚度不同的聚合粘液痕迹。对于红球菌，它等于几百nm，可能促进其粘附到样品上。在滑行过程中，念珠藻会分泌一层粘液层，其厚度在纳米级，并随着滑行速度的增加而增加。这些结果打开了一个很大的窗口，新的研究的实际和根本利益的动力学现象，如生物膜的形成和细菌在真实的生理条件下的动力学特性。
2013-03-14 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Encapsulated bacteria deform lipid vesicles into flagellated swimmers
我们研究了一个合成系统的运动大肠杆菌细菌封装在巨大的脂质囊泡。细菌在膜内侧施加的力足以挤出充满一种或几种细菌的膜管。我们表明，膜管和鞭毛的封闭细胞之间的物理耦合转换成一个有效的螺旋鞭毛推进囊泡管。我们开发了一个简单的理论模型来估计推进力的速度的囊泡，并证明了良好的效率，这种耦合机制。这些结果共同指出了赋予合成细胞运动性的设计原则。
2022-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Deep learning-enhanced Lagrangian 3D Tracking of motile microorganisms
Laboratoire PMMH-ESPCI Paris, PSL Research University, Sorbonne Université and Denis Diderot（巴黎PM MH实验室、PSL研究大学、索邦大学和狄德罗大学）；University of Gothenburg（哥德堡大学）；Science for Life Laboratory（科学生命实验室）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
本文提出一种基于深度学习的改进拉格朗日追踪方法，用于更准确快速地追踪微生物的三维位置，尤其在复杂光学介质中表现优异，同时支持非荧光微生物的追踪。
2026-03-21 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
Microdomains and Stress Distributions in Bacterial Monolayers on Curved Interfaces
本研究通过分子动力学模拟，发现弯曲表面上细菌单层的排列长度尺度随细胞长径比增加而增大、随曲率增加而减小，且排列通过集中应力于低有序区域控制伸展应力分布，连接了活性向列物理与细菌单层。
2022-12-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Bacterial hydrodynamics
细菌比植物和动物早了数十亿年。今天，它们是世界上最小的细胞，但它们代表了世界上大部分的生物量，也是高等生物的主要营养库。大多数细菌可以自行移动，大多数能动的细菌能够使用称为鞭毛的细长螺旋状附属物在粘性液体中游泳。低雷诺数流体动力学是鞭毛在微米尺度上产生推进力的能力的核心。事实上，流体动力影响细菌学的许多方面，从细胞重新定向和搜索周围环境的能力到它们在机械和化学复杂环境中的相互作用。使用流体力学作为一个组织框架，我们回顾细菌运动的生物力学，并展望未来的挑战。
2015-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamic density shaping of light driven bacteria
许多能动的微生物对环境光信号作出反应，具有各种运动性反应，引导细胞朝向更好的生存和生长条件。空间光调制器的使用可以帮助阐明光运动的机制，同时提供一种有效的策略来实现细胞浓度的空间和时间控制。在这里，我们展示了数百万的细菌，经过基因改造，以光可控的速度平稳地游动，可以使用数字光投影仪排列成复杂和可重构的密度模式。我们表明，一个均匀的海洋自由游动的细菌可以在复杂的形状之间变形。我们模拟非本地的影响所产生的内存在光响应，并显示如何可以减轻这些反馈控制策略，从而在详细的再现灰度密度图像。
2018-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pattern formation in e. coli through negative chemotaxis: instability, condensation, and merging
本研究结合实验与修正的Keller-Segel方程模型，探究了大肠杆菌在均匀压力下通过负趋化性形成凝聚物的动力学，揭示了其在不同时间尺度上的不稳定性、凝聚物形成与合并机制，并发现相邻聚集物间的作用力随距离指数衰减。
2025-02-06 physics.bio-ph
Emergence of bacterial glass
本文利用膜基微流控装置培养均匀生长的准二维大肠杆菌，发现密度升高时运动细菌经取向冻结和完全玻璃化两步形成活性杆状玻璃，并揭示其异于热玻璃的动态特征。
2024-06-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Elongation suppresses rheotaxis and enables microfluidic enrichment of \b{eta}-lactam-resistant bacteria
Department of Physics & Astronomy, University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学物理与天文学系）；Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院）
该研究发现β-内酰胺类抗生素诱导的细菌伸长会抑制趋流性，而抗性细菌因保持短形态保留趋流能力，据此可实现抗性细菌的微流控富集，为快速AMR检测提供了策略。
2026-08-20 physics.bio-ph
All in one: holographic microscopy unveils bacterial transport from single cells to population
Université de Lorraine（洛林大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；EPHE（巴黎高等研究实践学院）；PSL（巴黎文理研究大学）
本研究利用全息显微镜分析细菌在受限流体中的运动，揭示了细菌从单细胞到种群的运输机制及空间分布特性。
2025-12-12 physics.bio-ph
Light-induced self-assembly of active rectification devices
自我推进的胶体物体，如能动的细菌或合成的微型游泳者，具有微观上不可逆的个体动力学-这是它们与所有生命系统共有的特征。个体游泳者的不连贯行为可以通过微流体装置来控制（或“纠正”），这些装置可以创造出在平衡状态下不可能实现的系统运动。例子包括转子颗粒绕回路的流动，齿轮在细菌浴中的稳定旋转，以及通过“漏斗门”在腔室之间泵送细菌。在这里，我们提出了一个计算的概念验证的研究，表明这种主动整流装置可能会直接从一个非结构化的“原始汤”的能动粒子，仅仅通过使用空间调制的照明来控制他们的本地推进速度。除了微观不可逆性和速度调制，我们的机制需要空间对称性破缺，如人字形光图案，和粒子之间的强相互作用，如体积排阻导致碰撞减速在高密度。这四个因素创造了一个多体整流机制，一般不同于单体微流体的前身。我们的工作表明，标准的空间光调制器技术可能允许可编程的，光诱导的自组装的有源整流装置从一个非结构化的粒子浴。
2016-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Interfacial flow around a pusher bacterium
该研究针对流体界面上细菌动力学认知不足的问题，分析铜绿假单胞菌PA01推进模式下的界面流场，发现两种偶极流体模式及其平衡与细菌界面构型的关系，为相关自然研究和仿生游动设计提供参考。
2023-05-01 physics.bio-ph
Orientation of Swimming Cells with Annular Beam Optical Tweezers
光镊是一种多功能工具，可用于操纵小颗粒，包括运动和非运动的细菌和细胞。非球形粒子在光束中的取向取决于粒子的形状和光场的形状。通过使用多个光束、雕刻的光场或动态变化的光束，可以控制某些粒子的方向。本文讨论了杆状细菌大肠杆菌（Escherichia coli，E。大肠杆菌）。我们从用于棒状粒子定向的不同光束的例子开始。我们讨论了运动和非运动粒子的取向之间的差异，并探讨环形光束和情况下，他们可能是有益的非球形粒子或细胞的操作。通过模拟，我们绘制出了E。大肠杆菌感染。估计沿轨迹的陷阱刚度使我们能够深入了解中间旋转相对于所需方向的稳定性。利用这种方法，我们预测和实验验证的运动E的取向的变化。大肠杆菌从垂直到近水平，只有一个中间步骤。该方法不是专门探索粒子的方向，可以很容易地扩展到量化的稳定性的任意粒子轨迹。
2019-11-13 physics.bio-ph physics.optics
Invariance properties of bacterial random walks in complex structures
运动细胞经常探索以高度结构复杂性为特征的自然环境。此外，由于自发的随机重定向和速度波动，细胞运动也本质上是嘈杂的。内部和外部噪声源的这种相互作用引起了复杂的动力学行为，其对细节非常敏感，并且难以定量建模。与此形成鲜明对比的是，我们发现，游泳细菌内人工复杂的微观结构的平均停留时间，可以定量预测最近发现的随机游动的不变性的泛化。我们发现，在几何形状和结构紊乱的变化有一个显着的影响路径长度的分布，而平均值严格限制的唯一的自由体积表面比。生物学意义包括仅使用几何信息预测和控制复杂自然环境的殖民化的可能性。
2019-03-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Orbiting of bacteria around micrometer-sized particles entrapping shallow tents of fluids
流体动力学和限制控制固体或空气-水边界附近的细菌移动性，导致鞭毛细菌以圆形轨迹移动。这种现象是由于细菌体和鞭毛之间的反向旋转以及由于它们靠近边界而在相反方向上对它们的侧向拖曳造成的。已经开发了许多实验技术来限制和操纵运动细菌。在这里，我们报告的观察大肠杆菌和肠杆菌属。当他们被限制在一层薄薄的水周围分散的微米大小的颗粒洒在半固体琼脂凝胶。在这种情况下，有鞭毛的细菌围绕着分散的粒子运行，类似于行星系统。液体层的形状像一个浅帐篷，其中心高度由种子颗粒设定，弯月面轮廓由水的强表面张力设定。帐篷形的约束和鞭毛丝的左手性导致完全顺时针的圆形轨迹。由于蒸发和从琼脂中泵出的增强流体之间的平衡，薄流体层是有弹性的。后者由弯曲弯月面引起的拉普拉斯压力驱动。这种将细菌捕获在最小体积的流体内的新机制与近表面细菌积累、粘附、生物膜生长、生物微装置的发展和清洁卫生有关。
2018-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motility-dependent selective transport of active matter in trap arrays: Separation methods based on trapping-detrapping and deterministic lateral displacement
本文提出基于陷阱阵列的两种活性物质分离方法：选择性逃逸与确定性侧向位移，通过数值模拟自驱动Janus粒子验证，适用于细菌、精子等生物微粒的高效分离。
2025-05-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Spatial organization of biomass controls intrinsic permeability of porous systems
University of Lausanne（洛桑大学）；Politecnico di Milano（米兰理工大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
通过微流控实验和模型，发现生物量的空间分布（而非总量）是控制多孔介质渗透率的关键因素，运动细菌因限制空间积累而比非运动细菌造成更小的渗透率降低。
2026-05-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.bio-ph
Using Experimentally Calibrated Regularized Stokeslets to Assess Bacterial Flagellar Motility Near a Surface
附近边界的存在可能是重要的生活周期和运动鞭毛虫细菌的进化。这使得许多作者采用数值模拟来模拟近表面细菌运动和计算流体动力学边界效应。一个常见的选择是正则化Stokeslets（MIRS）的图像方法;然而，该方法需要离散化大小和正则化参数，这些参数没有被任何理论指定。为了在MIRS中为给定的离散化选择确定适当的正则化参数，我们进行了动态相似的宏观实验，并将模拟与数据拟合。在实验中，我们测量了不同波长的圆柱和螺旋上的扭矩，因为它们在粘性流体中旋转到边界的不同距离。我们发现，实验和优化模拟之间的差异小于5%时，使用表面离散的圆柱和螺旋线的中心线离散。在确定了最佳正则化参数后，我们使用MIRS模拟了一个理想化的自由游泳细菌，该细菌由圆柱形细胞体和螺旋形鞭毛组成，在边界附近移动。我们通过计算游泳速度，电机转速，Purcell推进效率，单位距离的能量成本和一个新的代谢能量成本来评估许多细菌形态的游泳性能。所有五个措施预测相同的最佳鞭毛波长独立的身体大小和表面接近。虽然这些措施在最佳体型上存在分歧，但他们都预测体型是细菌运动的能量成本的重要因素。
2021-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Bacteria push the limits of chemotactic precision to navigate dynamic chemical gradients
细菌的短暂聚集体在环境中无处不在，在那里它们充当代谢活动、营养循环和水平基因转移的温床。在许多情况下，这些高细菌浓度的区域被认为是在运动细胞使用趋化性导航到化学热点时形成的。然而，是什么控制了细菌聚集的动力学尚不清楚。在这里，我们使用一种新的实验平台来创建具有受控营养浓度的真实亚毫米级营养脉冲。通过结合实验，数学理论和基于代理的模拟，我们表明，个别\textit{Vibrio ordalii}细菌开始趋化性向热点溶解有机物（DOM）时，化学梯度的幅度上升到足够远的感官噪音，是随机遇到化学引诱分子。每个DOM热点被一个动态的化学趋化细胞环包围，这些细胞聚集在高DOM浓度的区域，然后随着DOM扩散和梯度变得太嘈杂而无法响应。我们证明了\textit{V. ordalii}的操作接近趋化精度的理论极限。趋化细菌的数值模拟，其中分子计数噪声被明确考虑在内，在营养物质的收购和趋化精度的成本之间的权衡点。更一般地说，我们的研究结果说明了如何限制感官精度可以用来了解生态相关环境中的细菌行为反应的位置，空间范围和寿命。
2019-05-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Curvature-guided motility of microalgae in geometric confinement
微生物，如细菌和微藻，通常生活在由液相和大量界面组成的栖息地中。这些能动的微生物在其封闭环境中的确切行为方式尚不清楚。利用实验，布朗动力学模拟和分析理论，我们研究了一个单一的衣原体microhabitat在一个孤立的微生境与控制的几何特性的运动。我们演示了如何的几何形状的栖息地控制细胞的导航禁闭。发现细胞在边界附近游动的概率与壁曲率成线性比例，如圆形和椭圆形室所示。该理论，利用不对称哑铃模型的细胞和立体壁的相互作用，捕捉这种曲率引导导航定量没有自由参数。
2017-04-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Selecting active matter according to motility in an acoustofluidic setup: Self-propelled particles and sperm cells
本文提出一种利用可调谐声流控陷阱按运动能力分选活性物质的新方法，高运动能力个体可逃逸，并通过模拟、自推进 Janus 颗粒和人类精子实验验证，可用于辅助生殖及其他活性系统分选。
2024-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Fluid Flows Created by Swimming Bacteria Drive Self-Organization in Confined Suspensions
已知游动微生物和其他形式的活性物质的浓缩悬浮液在比单个能动单元大的尺度上显示复杂的、自组织的时空模式。尽管进行了深入的实验和理论研究，但仍不清楚游泳细胞产生的流体动力学流动（而不是它们之间的纯粹空间相互作用）在多大程度上驱动了自组织。本文利用最近发现的\textit{B. subtilis}受限悬浮液中的螺旋涡态来详细研究这一问题。这些实验表明，如果薄圆柱形腔室中的约束半径低于临界值，则悬浮液将自发地形成由反向旋转的细胞边界层包围的稳定的单涡旋状态，其中涡旋内具有螺旋细胞取向。然而，螺旋漩涡中鞭毛的方向以及细胞的游动方向还不清楚。在这里，使用一个快速的模拟方法，捕捉定向细胞和细胞流体相互作用的离散颗粒系统的极小模型，我们预测的惊人的，违反直觉的结果，在集体产生的流体运动的存在下，螺旋涡流内的细胞实际上游泳上游对这些流量。这是证实了新的实验报告在这里，其中包括测量鞭毛束的方向和细胞跟踪的自组织状态。这些结果突出了微生物浓缩悬浮液中细胞取向和流体动力学流动之间的复杂相互作用。
2014-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phototactic bioconvection under oblique collimated irradiation in a forward scattering suspension
本研究数值探究了顶部斜向平行光照射下趋光微生物悬浮液中生物对流的发生，揭示了藻细胞对光的吸收与各向异性散射对细胞流动动力学的影响。
2025-06-29 physics.bio-ph
A biophysical threshold for biofilm formation
细菌在我们的日常生活中无处不在，无论是作为能动的浮游细胞还是作为固定的表面附着的生物膜。这些不同的表型状态在农业、环境、工业和医学中起着关键作用;因此，能够预测细菌从一种状态转变为另一种状态的条件至关重要。不幸的是，这些转变取决于一系列令人眼花缭乱的复杂因素，这些因素由单个细胞的内在特性及其周围环境决定，因此很难描述。为了解决这个问题，在这里，我们开发了一个普遍适用的生物物理模型之间的相互作用的动力介导的分散和生物膜形成下的正群体感应控制。使用这个模型，我们建立了一个通用的规则，预测生物膜形成的发病和程度如何共同依赖于细胞浓度和运动性，营养扩散和消费，趋化传感，和自诱导物的生产。因此，我们的工作提供了一个关键的一步，定量预测和控制生物膜的形成在不同的和复杂的设置。
2021-12-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Confinement controls bacterial spreading at all scales
本研究通过实验和理论分析揭示了平行限制表面对野生型E. coli扩散的控制机制，发现非马尔可夫随机模型能定量复现实验结果，为理解微生物在复杂环境中的导航提供了通用概念基础。
2025-07-15 physics.bio-ph
Polar features in the flagellar propulsion of E. coli bacteria
E.大肠杆菌的游动方式是奔跑和翻滚。在运行状态下，所有鞭毛连接成一个螺旋束，推动细胞体沿着近似直线的路径前进。当一个或多个鞭毛马达反转方向时，鞭毛束就会展开，细胞的方向也会随机化。这幅基本图代表了一个更为复杂的动力学问题的理想化。虽然它已被证明，束形成可以发生在任何一极的细胞，它仍然不清楚是否这两个运行状态对应于不对称的推进功能。使用全息显微镜，我们记录了单个细菌在光阱中游泳的3D运动。我们发现，大多数细胞具有两个运行状态，其特征在于不同的推进力，总扭矩和束构象。我们分析了束反转的统计特性，并比较了正向和反向运行状态下的流体动力学特征。我们的方法是自然的多粒子，并开辟了相互作用的游泳细胞的受控流体动力学研究的道路。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Ciliary contact interactions dominate surface scattering of swimming eukaryotes
游泳细胞和表面之间的相互作用对许多微生物学过程至关重要，从细菌生物膜形成到人类受精。然而，尽管它们的根本重要性，相对知之甚少的物理机制，支配的鞭毛或纤毛细胞从固体表面的散射。对这些相互作用的更详细的了解不仅有望对鞭毛和纤毛的结构和动力学产生新的生物学见解，而且还可能导致新的微流体技术用于控制细胞运动和微生物运动，其潜在应用范围从诊断工具到治疗性蛋白质合成和光合生物燃料生产。由于生理学和游泳策略的根本差异，这是一个悬而未决的问题，是否微流体的运输和整流方案，最近已被证明为推动器型microswimmer，如细菌和精子细胞，可以转移到puller-type藻类和其他能动的真核生物，因为它是不知道是否远程流体动力学或短程机械力占主导地位的这些微生物的表面相互作用。在这里，使用高速显微成像，我们提出了直接的实验证据表明，哺乳动物精子细胞和单细胞绿藻的表面散射主要是由直接纤毛接触相互作用。基于这一认识，我们预测和实验验证最佳的微流体棘轮的存在，最大限度地纠正最初均匀的莱茵衣藻悬浮液。由于纤毛的机械弹性特性在真核生物中是保守的，我们希望我们的研究结果适用于广泛的游泳微生物。
2013-01-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-enhanced mobility enables vortex pattern formation in living matter
本研究通过实验和模拟发现，细菌生命物质中的自增强迁移性可驱动中尺度快速旋转涡旋形成厘米级六角形有序图案，揭示了一种纯物理机制的自组织图案形成途径。
2024-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
