Swimming active droplet: A theoretical analysis
最近，一个积极的微型游泳器被构造成一个微米大小的溴水滴被放置到一个表面活性剂负载的油相。由于表面活性剂在界面处的溴化反应，表面张力局部增加并且变得不均匀。这就产生了马兰戈尼流，推动蠕动的液滴向前运动。我们开发了一个扩散-平流-反应方程的表面活性剂混合物的序参量在液滴界面使用的混合自由能。数值解揭示了一个稳定的游泳政权以上的临界Marangoni数M，但也停止和振荡状态时，M进一步增加。游动液滴被识别为推动器，而在振荡状态下，其在作为拉动器和推动器之间振荡。
2012-10-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Deciphering long-range order in active matter: Insights from swimming bacteria in quasi-2D and electrokinetic Janus particles
本文综述了活性物质系统中二维长程取向有序的理论描述与实验进展，对比了游动细菌和电动Janus粒子等微游动系统中的数值、理论与实验结果，并探讨了该领域的未来挑战。
2023-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Swimming bacteria in Poiseuille flow: the quest for active Bretherton-Jeffery trajectories
利用三维拉格朗日跟踪技术，我们实验确定了非翻滚E。大肠杆菌突变体在Poietville流中游动。我们确定了一个类型学的轨迹与运动学的“积极Bretherton-Jeffery”模型，具有轴对称的自推进椭球体。特别是，我们恢复的“摆动”和“剪切翻滚”的运动学理论预测Zöttl等人。此外，使用这个模型，我们推导出分析新的功能，如准平面分段轨迹，与高纵横比的细菌，以及存在的漂移角周围的细菌执行封闭的循环轨迹。然而，由于布朗旋转噪声的存在，模型预测和实验结果之间的协议仍然是本地的时间。
2019-05-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Active colloidal rafts perform swimming strokes that propel their host droplets
Université de Bordeaux（波尔多大学）；Collège de France（法兰西公学院）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Meiji University（明治大学）
本研究揭示活性胶体筏在液滴内沿偏心轨道运动，通过各向异性变形接触线产生非往复游泳划水，从而推动宿主液滴，展示了集体活动经软边界变形转化为运动的机制。
2026-09-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Active particles in viscosity gradients
自然界中的微泳者经常经历粘性的空间梯度。在这项工作中，我们开发的理论结果的动态活性粒子，生物或其他，游泳通过粘度梯度。我们使用蠕动模型的活性粒子建模，并显示粘度梯度如何导致蠕动的趋粘性，以及粘度梯度的影响如何取决于游泳步态的microswimmer。我们还展示了粘度的这种梯度如何用于控制活性颗粒，并提出了一种根据其游泳方式对它们进行分类的机制。
2019-10-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Swimming path statistics of an active Brownian particle with time-dependent self-propulsion
通常，在对活性布朗粒子的描述中，假设有效推进力恒定，然后该推进力会受到取向和平移的波动，导致持续的随机行走，并具有扩大的长时间扩散系数。在这里，我们概括了以前的结果的游泳路径统计依赖于时间，因此在许多情况下更现实的推进，这是一个规定的输入。我们分析计算的无噪声和噪声平均轨迹的时间周期推进下的作用下的附加扭矩。在确定性的情况下，这种振荡的微型游泳者在封闭的路径上移动，这可能比通常观察到的直线和圆要复杂得多。当暴露于随机波动时，平均轨迹变成具有无噪声对应物的特征的自相似曲线。此外，我们考虑的推进力，在时间尺度$t$为$\propto \! t^α$（与$α=0,1,2,\ldots$），并分析由此产生的超扩散行为。我们的预测是可验证的diffusiophoretic人工microswimmer规定的推进协议。
2014-02-14 cond-mat.soft
Amoeboid swimming of active vesicles
Inst. Theoret. Physics, Georg-August University Göttingen（哥廷根大学理论物理研究所）
研究弱放气活性囊泡形状动力学与迁移，通过局部膜不可压缩性及小过剩面积假设分析其在自由空间的耦合动力学，依活性强度和频率，囊泡呈现多种动力学状态。
2026-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Topological defect-propelled swimming of nematic colloids
拓扑缺陷的非平衡动力学可以作为微观活性物质的基本推进机制。在这里，我们展示了游泳的拓扑缺陷推动的胶体粒子（被动）通过实验和数值模拟流体。在外部磁场中，胶体旋转驱动拓扑缺陷的动态游动，导致周期性缺陷重排，从而推动粒子。游动速度由胶体的角速度、旋转方向和缺陷极性决定。通过控制它们，我们可以使粒子沿着不同的轨迹运动。我们展示了散射-也就是说，有效的对相互作用-我们的两个缺陷推动的游泳者，我们表明是高度各向异性的，并取决于缺陷中风的微观结构，包括局部缺陷拓扑结构和极性。更一般地说，这项工作的目的是开发仿生活性物质的基础上的拓扑结构的相关性。
2021-09-29 cond-mat.soft
Sedimentation and polar order of active bottom-heavy particles
在外部引力场中的自推进粒子已被证明显示出增加的沉降长度和极性顺序，即使没有粒子相互作用。在这里，我们研究的是自推进的粒子，它们另外是底部重的，也就是说，它们感觉到一个扭矩，使它们与引力场对抗地游动。对于底部重的粒子，引力场具有两个相反的效果：i）沉降和ii）粒子的游动方向向上对齐。我们进行多极扩展的一个粒子分布相对于方向和推导出的沉降长度和平均粒子取向，我们检查对布朗动力学模拟的表达式。对于大强度的重力或小颗粒的速度和对齐扭矩，我们观察到沉降与增加的沉降长度相比，被动的胶体，但也没有底部沉重的活性胶体。例如，增加游动速度，沉降曲线被反转，并且颗粒朝向封闭箱的顶壁游动。我们发现最大的取向秩序在中间游泳速度的情况下，与底部沉重的颗粒和那些没有。对于底部重的粒子来说，有序性毫无意外地增加了，但是这种差异在更高的活性水平上消失了，并且对于非常高的活性，在两种情况下有序性都变为零。
2013-12-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Command of active matter by topological defects and patterns
自推进细菌是自然界的奇迹，具有为未来的动态材料和微系统提供动力的潜力。挑战在于如何控制它们混乱的行为。通过分散游泳枯草芽孢杆菌在液晶环境中的各向异性轴的空间变化的方向，我们展示了控制细菌的分布，几何形状和极性的轨迹。细菌能识别液晶变形的细微差别，在纯展曲和弯曲区域进行双极游动，但在混合展曲-弯曲区域切换到单极游动。它们区分拓扑缺陷，朝向正拓扑电荷的缺陷并避免负电荷。细菌对预先施加的取向模式的敏感性代表了流体动力学和活性物质拓扑结构之间相互作用的一个新方面。
2016-11-19 cond-mat.soft
Dynamics of ellipsoidal tracers in swimming algal suspensions
被动示踪剂在活性流体中的扩散增强是活性流体的普遍特征，近年来得到了广泛的研究。与平衡复杂流体的微观流变学类似，不寻常的增强粒子动力学揭示了活性流体的内在性质。尽管如此，以前的研究表明，球形示踪剂的平移动力学是定性相似的，独立于活性粒子是推动者还是拉动者-活性流体的两个基本类别。是否有可能通过简单地对被动示踪剂的动态成像来区分推动者和拉动者？在这里，我们研究了孤立的椭球体在藻类C。reinhardtii悬浮液-一种puller-type活性流体的模型。结合我们以前关于E型推进器的结果，大肠杆菌悬浮液[Peng等人，物理修订版信函116，068303（2016）]，我们表明，不对称示踪剂的动力学显示出由于其旋转自由度而导致的推动器和拉动器的深刻差异。虽然实验室框架的平移和旋转的椭球体的增强在推和拉，类似于球形示踪剂，各向异性扩散的椭球体框架中显示出相反的趋势，在两类活性流体。当椭球体浸没在牵引器中时，其沿长轴的扩散最快，而在推进器中，其沿长轴的扩散最慢。这种显著的差异可以用一个简单的流体动力学模型来定性地解释。此外，我们的研究表明，藻类悬浮液的近场平流对椭球体的平移和旋转的影响表现出不同的范围和强度。我们的工作不仅提供了新的见解，普遍的组织原则的活性流体，但也是一个方便的工具，检测类活性粒子。
2016-10-05 cond-mat.soft
Polar jets of swimming bacteria condensed by a patterned liquid crystal
活性物质表现出显著的集体行为，其中由活性粒子连续产生的流动与这些粒子的取向顺序交织在一起。这种关系仍然知之甚少，因为活动和秩序难以独立控制。在这里，我们展示了这种相互作用的重要方面，通过探索游泳细菌在液晶环境中的动态与预先设计的周期性的张开和弯曲的分子取向。细菌从弯曲区域排出并凝结成极性射流，极性射流沿着张开区域单向地传播和运输货物。即使当局部浓度超过非图案化系统中弯曲不稳定性的阈值时，细菌射流也保持稳定。集体极地推进和不同的作用弯曲和张开的对流扩散模型和数值模拟，处理系统作为一个两相的主动对流解释。预图案化液晶介质将游泳细菌的混沌运动流线化为极性射流的能力，可以沿着预先设计的轨迹携带货物，为细胞分选，微尺度递送和软微机器人的潜在应用打开了大门。
2020-01-16 cond-mat.soft
Swimming-limited aggregation of bacteria in liquid crystals
Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH), ESPCI Paris, PSL University, CNRS, Sorbonne University, and Paris Cité University（异质介质物理与力学实验室，巴黎高等物理化工学院，PSL大学，法国国家科学研究中心，索邦大学，巴黎西岱大学）；Laboratoire Gulliver, ESPCI Paris, PSL University, CNRS（高卢实验室，巴黎高等物理化工学院，PSL大学，法国国家科学研究中心）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）；Institute of Physics, University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学物理研究所）
研究在高度各向异性环境中运动细菌的独特胶体聚集机制。通过实验观察大肠杆菌在向列型液晶中一维受限游动形成的细菌链，结合模型和模拟揭示链长与速度正相关及背后机制，为细菌自组织提供新见解。
2026-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-propulsion mechanism of active Janus particles in near-critical binary mixtures
浸在近临界二元混合物中的金冠Janus粒子可以使用照明来推进。我们采用非等温扩散界面方法研究了单胶体的自推进机制。我们把这种运动归因于围绕粒子成核的微米级液滴边缘的体积力。因此，常用的表面速度概念不能解释自推进。颗粒的游动速度与液滴的形状和尺寸有关，这由所谓的临界等温线决定。存在两种不同的游动状态，取决于液滴是否部分或完全覆盖颗粒。有趣的是，游泳速度对温度的依赖性是非单调的，在这两个制度。
2015-06-18 cond-mat.soft
Circular swimming motility and disordered hyperuniform state in an algae system
活性物质包括将局部存储的能量转换成机械运动的单独驱动的单元。被驱动单元之间的相互作用导致了活性物质中的各种非平衡集体现象。其中一种现象是在实验和理论中都观察到的异常大的密度波动。在这里，我们表明，相反，在活性物质的密度波动也可以大大抑制。我们的实验进行了与海洋藻类（$\it{Effrenium\ voratum}$），游泳在空气-液体界面与两个不同的真核鞭毛的圆圈。细胞游动产生流体流动，这导致远场中细胞之间的有效排斥。这种排斥相互作用的长程性质抑制了密度波动，并在广泛的密度条件下产生无序超均匀态。超均匀性和相关标度指数的出现定量再现的数值模型，其主要成分是有效的流体动力学相互作用和不相关的随机细胞运动。我们的研究结果表明，在活性物质的集体状态的一种新的形式，并建议使用流体动力学流动的自组装在活性物质的可能性。
2021-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamics and Separation of Circularly Moving Particles in Asymmetric Patterned Arrays
有许多驱动和活性物质系统的例子，这些系统含有表现出具有不同手性的圆周运动的颗粒，例如表面附近的游动细菌或某些类型的自驱动胶体颗粒。被动粒子的圆周运动也可以通过外部旋转驱动器来诱导。在这里，我们研究的粒子，在圆圈中移动，并与不对称的L形障碍物的周期性阵列相互作用。我们发现一系列的动态阶段作为游泳半径的函数，包括政权的粒子运动被整流，产生净直流运动。整流的方向随游动半径而变化，允许分离具有不同游动半径的颗粒。具有相同游动半径但不同手性的粒子也可以在衬底上沿不同方向运动并被分离。整流发生在对应于周期性轨道的游动半径的特定窗口中，在该周期性轨道中，粒子在每个旋转周期中与屏障相互作用一次或多次。整流效应对热效应或扩散效应的增加是鲁棒的，并且在某些情况下甚至被这些效应增强。
2013-07-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active Matter on Asymmetric Substrates
对于在与不对称衬底相互作用的热浴中的颗粒集合，可能发生棘轮效应，其中颗粒响应于交流强迫而经历净直流运动。棘轮效应已经在各种系统中得到证实，包括胶体以及II型超导体中的磁涡旋。在这里，我们研究的情况下，活性物质或自驱动粒子与非对称基板相互作用。活性物质系统包括经历催化作用的自运动胶体颗粒、游动细菌、人工游泳者、爬行细胞和运动蛋白。我们表明，棘轮效应可以出现在这种类型的系统，即使在没有交流强迫。定向运动发生在某些粒子-基底相互作用规则下，其大小取决于粒子在转向并向新方向游动之前在一个方向游动所花费的时间量。对于严格布朗粒子，不存在棘轮效应。如果粒子从障碍物反射或从障碍物散射，根据斯涅耳定律，则不存在棘轮效应;然而，如果粒子可以与障碍物对齐或沿着障碍物移动，则产生定向运动。我们还发现，在一定的运动规律下，颗粒沿容器壁积聚，与实验一致。我们还研究了同步粒子运动的斑图形成。我们讨论了这个系统的自组装，提取工作，排序以及未来的方向，如考虑集体相互作用和植绒模型的可能应用。
2011-10-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Directional self-locomotion of active droplets enabled by nematic environment
活性物质由自推进的相互作用单元组成，具有从其看似混乱的非平衡动力学中提取有用功的重要前景。流线型活性物质产生的工作是特别重要的，在微观尺度上，粘性力战胜惯性和有用的运输模式需要非常具体的非往复运动类型。在这里，我们报告说，微观活性液滴代表游泳细菌枯草芽孢杆菌的水分散体显示单向推进时，放置在一个非活性培养基。微滴内细菌的随机运动通过微滴本身通过其表面的各向异性分子相互作用在周围微滴中产生的极性导向结构被纠正为微滴的定向自运动。没有游动细菌的液滴没有净位移。活性液滴的轨迹可以通过图案化微滴介质的分子取向而预先设计为直线或曲线。这种效应表明，在微尺度下的游动可以以介质的空间对称性被破坏为代价来实现，它可以用于微机械的开发。
2020-08-12 cond-mat.soft
Active Brownian Motion Tunable by Light
活性布朗粒子能够从环境中吸收能量并将其转化为定向运动;例子包括趋化细胞和细菌到人工微游泳者。我们最近已经证明，Janus粒子，即金帽胶体球，悬浮在一个临界的二元液体混合物进行积极的布朗运动时，由光照射。在本文中，我们更详细地研究了它们的游泳机制导致积极的布朗运动。我们表明，照明承载加热诱导局部不对称的二进制混合物产生的空间化学浓度梯度，这是负责粒子的自扩散电泳运动。我们研究了这种效应作为金帽的功能化，颗粒大小和光照强度的函数：功能化决定了二元混合物的哪些组分优先吸附在帽和游泳方向（朝向或远离帽）;颗粒尺寸决定了旋转扩散，并因此决定了颗粒的随机重新取向;并且强度调节加热的强度，从而调节运动的强度。最后，我们利用这种依赖的游泳强度上的照明强度调查的行为的微型游泳者在空间光梯度，其游泳性能是空间依赖性的。
2012-02-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Effective medium model for a suspension of active swimmers
自然界中几种活跃的有机体倾向于作为一个群落居住在粘性流体介质中。我们分析了一个积极的游泳运动员在稀释和分散的悬浮液，建模为一个有效的Brinkman介质的游泳特性的变化。这个理想化的表示一个积极的游泳者的集合允许一个区分的影响，内部域提供给一个单独的游泳者，以及其邻居的贡献。达西定律与解析解一起使有效电阻率能够作为体积分数的函数来预测，这与众所周知的Carman-Kozeny方程非常一致。这有助于连续分析目标游泳者的推进速度、功率消耗和游泳效率，作为体积分数的函数，体积分数对集体环境中的营养输送和吸收或繁殖具有决定性作用。一个应力跳跃条件也施加在一个单元格，以表明由于附近的游泳者的平均有效力。在此应力跃变系数的适当值，迁移速度和游泳效率的相对增加是显着较高的最佳占用。
2021-06-06 cond-mat.soft
Escherichia coli as a model active colloid: a practical introduction
有鞭毛的大肠杆菌在实验中越来越多地被用作自推进的游泳者。为了获得不同实验室之间具有可比性的有意义的定量结果，需要可重复的方案来控制、“调节”和监测这些运动细胞的游泳行为。我们批判性地回顾了这样做所需的知识，解释了表征大肠杆菌细胞的胶体和运动特性的方法，并提出了一种在有限的体积浓度下保持它们以恒定速度游泳的协议。在建立该协议的过程中，我们使用的运动作为一个高通量的探针方面的细胞生理学通过游泳速度和质子动力之间的耦合。
2015-06-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-propulsion of active droplets without liquid-crystalline order
细胞的游动，远离任何边界，可以出现在细胞质内的长程液晶秩序的情况下，但缺乏这种效应的简单模型。在这里，我们提出了一个二维模型的液滴自推进涉及两个标量场，代表细胞质和收缩皮层。这些场之间的耦合导致了主动应力;当旋转对称性自发破缺时，就会产生自推进。游泳速度的预测，并显示数值，线性变化的活性参数和液滴面积分数。该模型表现出克劳利样的不稳定性的阵列的活性液滴。
2020-07-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active Microrheology, Hall Effect, and Jamming in Chiral Fluids
我们研究了探测粒子通过由圆形游动圆盘组成的手征流体的运动。我们发现，探针粒子在两个纵向方向上，平行于驱动力，并在横向方向上，垂直于驱动力，从而产生霍尔角。在恒定的驱动力下，我们发现，探测粒子的速度在纵向和横向上表现出非单调的行为作为一个功能的活动的圆游泳者。当手性盘的频率和探针粒子的运动之间发生共振时，霍尔角最大化。随着手征流体密度的增加，霍尔角逐渐减小，当系统进入堵塞状态时，霍尔角达到零。我们发现，干扰的发生取决于手性粒子的游泳频率，在低频率出现的流体状态和堵塞的固体发生在高频率。
2019-01-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic dynamics of active swimmers in linear flows
关于低雷诺数游泳的流体动力学的大多数经典工作都涉及静止环境中的确定性运动。已知流体中的热波动会导致游动方向的布朗损失。由于大多数细胞或合成的游泳者沉浸在外部流中，本文从理论上考虑了模型活性粒子（自推进球）在稳定的一般线性流中的随机动力学。随机性既来自物理空间中的平移扩散，也来自方向空间中的旋转扩散和翻滚动力学的组合。我们首先推导出一个一般配方的所有组件的长时间的均方位移张量的游泳者与时间相关的游泳速度，其方向decorrelates由于单独的旋转扩散。这个一般的框架是适用于获得对流增强均方位移的一个swelly-swimming粒子在三个典型的线性流（延伸，简单剪切，和固体旋转）。然后，我们将展示如何扩展我们的结果的情况下，游泳者的取向也decorrelates的运行和翻滚动力学帐户。自推进一般会导致相同的长时间的时间的线性流中的被动粒子的时间标度，但增加了系数。在特定的情况下，固体旋转，有效的长时间扩散是相同的，在一个静止的流体，我们澄清缺乏流动依赖性，通过简要检查椭圆线性流动的动态。通过比较新的主动条款与被动粒子，我们看到，游泳可以导致增强的均方位移的数量级，并可能是相关的生物有机体或合成的游泳设备在波动的环境或生物流。
2014-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A kinetic approach to active rod dynamics in confined domains
由许多自推进（主动）游泳者组成的活性物质在外加流中的研究对于许多应用是重要的。自推进游泳者可能代表生物和人造的，如细菌和化学驱动的双金属纳米颗粒。在这项工作中，我们专注于动力学描述的活性物质表示的自推进杆游泳的粘性流体限制的墙壁。众所周知，与无界或周期性容器相比，壁可以显著地影响活动棒的轨迹。在这些效应中，有在壁上的积聚和逆流运动（也称为负趋流性）。我们的第一个主要结果是严格推导了在惯性为零的极限下主动杆的概率分布函数的边界条件。找到这样一个极限是很重要的，因为（i）在许多活性物质的例子中，惯性是可以忽略不计的，因为游泳发生在低雷诺数区域，（ii）这个极限允许我们减少动力学描述的维度，从而减少计算的复杂性。对于所得到的模型，我们推导出系统的平移扩散消失的限制，这也是典型的活性粒子可以忽略不计。该系统允许分别跟踪积聚在壁处的活性颗粒和在流体主体中游动的活性颗粒。
2019-03-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Densitaxis: Active particle motion in density gradients
研究了密度梯度中活性粒子的动力学，发现密度分层会引发趋性，且无力球形squirmer的重取向取决于游动步态，拉力型粒子平行于梯度游动，推力型粒子垂直于梯度游动。
2023-08-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Tracer diffusion in active suspensions
我们研究了一个尺寸为$R$的布朗探针粒子在一个尺寸为$a$、特征游泳速度$U_0$、重定向时间$τ_R$和机械能$k_s T_s = ζ_a U_0^2 τ_R /6$的活性布朗粒子（ABP）的稀分散体中的扩散，其中$ζ_a$是游泳者的斯托克斯阻力系数。探针具有热扩散率$D_P = k_B T/ζ_P$，其中$k_B T$是溶剂的热能，$ζ_P$是探针的斯托克斯阻力系数。当游泳者不活动时，探针和游泳者之间的碰撞在空间上阻碍探针的扩散运动。与这种空间位阻竞争的是由游泳者的活动驱动的增强。相对于热扩散的游动强度由$Pe_s = U_0 a /D_P$设定。对扩散率的积极贡献尺度为$Pe_s^2$弱游泳和$Pe_s$强游泳，但这两个制度之间的过渡是非单调的。当探针运动的波动在时间尺度$τ_R$上衰减时，主动扩散率按$k_s T_s /ζ_P$缩放：探针移动时，就好像它浸没在具有能量$k_s T_s$而不是$k_B T$的溶剂中。
2017-03-30 cond-mat.soft
Anisotropic active Brownian particle with a fluctuating propulsion force
主动布朗粒子（ABP）模型描述了一个游泳者，合成的或活的，其游泳方向是一个布朗运动。游泳是由于推进力，波动通常是热的起源。我们提出了一个2D模型中的波动所产生的非热噪声的推动力作用在一个单一的点，如由于鞭毛。我们采取过阻尼限制，并找到几个修改传统的ABP模型。由于波动力引起波动力矩，描述该过程的扩散张量具有平移和旋转自由度之间的耦合。各向异性粒子也表现出依赖于质量的噪声诱导的漂移，这不会消失在过阻尼极限。我们表明，这些影响有可测量的后果，活性粒子的长期扩散率，特别是增加了一个贡献，是独立的力的行为。
2022-07-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Self-organized swimming with odd elasticity
我们从理论上研究了活性材料的自激振荡波，它最近被引入作为弹性模量的非对称部分，称为奇弹性。使用Purcell的三连杆游泳者模型，我们揭示了一个奇怪的弹性细丝在低雷诺数下可以游泳的自组织方式和时间周期动力学的特点是由弹性流体动力学相互作用产生的稳定的极限环。此外，我们考虑一个嘈杂的形状步态，并推导出一个游泳公式的一般弹性材料的斯托克斯制度，其弹性模量由一个非对称矩阵表示，表明奇数的弹性产生偏置的净运动从随机噪声。
2022-03-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
From active stresses and forces to self propulsion of droplets
我们研究球形液滴的自推进作为简化的流体动力学模型的游泳微生物或人工微泳者。相反的方法，从系统产生的主动速度场开始，我们认为主动表面力或体力密度或主动应力的起源自主游泳。对于可忽略的雷诺数和给定的活度，我们首先计算液滴在固定时间的外部和内部流场以及质心速度和角速度。为了从单个时间快照构建轨迹，必须在实验室框架中确定主作用力或应力的演变。在这里，我们考虑的情况下，活性物质，这是由一个连续分布，刚性，但稀疏（细胞）-sceleton是沉浸在液滴的内部。我们从力密度或应力的角度计算了液滴和它的小尺度的运动轨迹的例子，这些力密度或应力在小尺度内固定的框架中可能是明确的时间依赖性
2016-09-02 cond-mat.soft
Which Interactions Dominate in Active Colloids?
尽管有越来越多的证据表明，活性胶体用于游泳的相同梯度会引起重要的交叉相互作用（泳动相互作用），但在大多数多体描述中，它们仍然被忽略，也许是为了避免复杂性和未知参数的动物园。在这里，我们推导出一个简单的模型，它减少了泳远场相互作用对相互作用的强度主要是由一个真正的参数（游泳速度）控制。该模型表明，泳相互作用是一般重要的自泳胶体（除非有效的筛选的泳场是强大的），并应占主导地位的典型情况下的半涂层和适度不均匀的表面流动性的流体动力学相互作用。不同于标准的极小模型，但根据规范的实验，我们的模型一般预测在低密度的活性胶体的动态聚类。这表明，动态集群可以出现从筛选电泳吸引力和积极的扩散的相互作用。
2019-01-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Growth-induced phase changes in swimming bacteria at finite liquid interfaces
本研究将细菌限制在有限二维油水界面，由运动性和生长在两个不同时间尺度驱动，观察到了从稀疏态、聚集态、活性湍流态到玻璃态的相变，并发现湍流-玻璃态相变处速度关联长度出现峰值。
2023-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Velocity condensation for magnetotactic bacteria
趋磁游泳者倾向于沿着磁场线排列，而不是随机重新定向。我们发现，游泳策略，例如积极的布朗运动与运行和翻滚动力学，强烈影响的方向统计。后者可以表现出速度凝聚，由此对准概率密度发散。因此，我们发现，游泳策略影响的性质的相变集体运动，表明Lévy运行和翻滚行走可以优于主动布朗过程作为策略，以触发集体行为。
2016-07-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Swimming droplet in 1D geometries, an active Bretherton problem
我们实验研究了自推进油包水液滴的行为，限制在不同的方形和圆形截面的毛细管。液滴的活性来自于其界面处肿胀胶束的形成。在直毛细管中，液滴的速度随着限制的增加而减小。然而，在非常高的限制下，速度收敛到非零值，使得即使非常长的液滴也会游动。拉伸的圆形毛细管，然后用于探索更高的限制。然后，液滴周围的润滑层具有不均匀的厚度，这与通常的流动驱动的被动液滴构成显著差异。颈部形成在后面的液滴，加深与越来越多的约束，并最终经历连续的自发分裂事件足够大的约束。这样的观察强调液滴界面的活动对液滴在约束下的行为的关键作用。然后，我们提出了一个分析配方集成的界面活性和溶胀胶束运输问题到经典的Bretherton方法。该模型占收敛的液滴的速度为一个有限的值大的限制，和非经典形状的润滑层。我们进一步讨论了胶束浓度沿界面的饱和，这将解释足够长的液滴的润滑层厚度的发散，最终导致自发的液滴分裂。
2021-06-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Alignment of non-spherical active particles in chaotic flows
我们研究的方向统计的球形，轴对称的microswimmer，从磁盘到棒的形状，游泳在混乱的，适度的湍流。数值模拟表明，棒状活性颗粒优先与流速对齐。为了解释潜在的机制，我们通过微扰理论解决了一个统计模型。我们表明，这种对齐是由流体速度及其沿粒子路径的梯度的相关性以及由于游动和粒子非球形而导致的前后对称性破缺引起的。值得注意的是，发现对齐被认为是一个强大的运动学效应，独立的底层流的演变。我们讨论其可能的相关性水生生态。
2019-09-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Tuning the random walk of active colloids
像游动的细菌或自推进的胶体这样的活性粒子，可以自发地组织成迷人的大尺度动态结构。这些集体状态从单个粒子的运动模式（通常是随机行走）中出现，还有待于在一个定义明确的合成系统中进行探索。在这里，我们报告间歇性胶体运动的实验实现，再现了许多游泳和群集细菌常见的运行和翻滚和利维轨迹。我们的策略使定制的序列重复的“运行”（近恒速直线平移）和“翻滚”（看似不稳定的转弯），以模仿任何随机行走。这种在微尺度上主动运动的新范例为主动悬浮中出现的集体动力学的实验探索开辟了新的机会。我们发现，这些随机步行者的人口表现出的行为，让人想起细菌悬浮液，如动态集群和中尺度的顺从性一样的流。
2019-08-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-induced polar order of active Brownian particles in a harmonic trap
流体动力学相互作用的活性粒子在一个外部的谐波势形成一个自组装流体泵在足够大的佩克莱数。在这里，我们给出了一个定量的标准，形成的泵，并表明，粒子取向对齐的自诱导流场中令人惊讶的类比铁磁秩序的积极Péclet数起着反温度的作用。粒子取向遵循玻尔兹曼分布$Φ(\mathbf{p}) \sim \exp(A p_z)$，其中有序平均场$A$与有效Péclet数和极性序参量成比例。平均流场中的颗粒的游泳方向对齐对应于一个正则化stokeslet与游泳速度成正比的强度。分析平均场的结果进行了比较，从布朗动力学模拟的结果与流体动力学相互作用，并发现捕获自诱导对齐非常好。
2014-02-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Modular approach to microswimming
活性物质的领域，特别是微泳，在过去十年中经历了快速和持续的扩张。一个特别有趣的方面是由人工自主的微型游泳者，从个别的活性和非活性的功能组件构建成自我推进的复合物。这样的模块化微型游泳器可以表现出对于每个单独的组件看不到的定向运动。在这篇综述中，我们重点介绍了微游泳模块化方法的建立和最新发展。我们介绍了绑定和动态原型，显示模块化游泳的机制和类型，并讨论了控制模块化微型游泳者的方向和速度的方法。最后，我们强调了研究人员面临的一些挑战，以及模块化游泳领域未来研究的方向。
2018-05-18 cond-mat.soft
Sedimentation and diffusion of passive particles in suspensions of swimming Escherichia coli
由于游泳微生物在自然和人工环境中的普遍存在，活性流体中的沉积已经成为焦点。在这里，我们实验研究了被动颗粒在含有不同浓度的细菌E。杆菌结果表明，活细菌的存在下，即使在稀的制度，预计沉降速度是独立的颗粒浓度的沉降前的速度降低。细菌增加了被动颗粒的有效扩散系数，决定了沉降前沿的宽度。对于较高的细菌浓度，我们发现两个沉降前沿的发展，由于细菌死亡。一个模型，其中的对流扩散方程描述的重力下的颗粒沉降耦合到细菌的种群动力学似乎捕捉实验的趋势相对较好。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Cross-stream migration of active particles
对于自然的微型游泳者，游泳活动和外部流动的相互作用可以促进稳健的运动，例如逆着（“上游趋流性”）或垂直于流动方向的推进。这些效应通常归因于它们复杂的体型和鞭毛跳动模式。在这里，使用催化Janus粒子作为模型实验系统，我们报告一个强大的方向性反应，发生在通道流中的球形活性粒子。粒子排列它们的推进轴，使其几乎垂直于流动方向和附近边界表面的法向量。我们开发了一个确定性的理论模型的球形microswimmer附近的平面壁，捕捉实验观察。我们展示了如何出现的剪切流和近水面游泳活动的相互作用的方向性反应。最后，加入热噪声的影响，我们得到的概率分布的游泳者取向，半定量地同意与实验分布。
2018-01-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Run-and-Tumble-Like Motion of Active Colloids in Viscoelastic Media
翻滚运动是许多活微生物采用的一种重要运动策略。它的特点是直线游泳间隔（运行），这是由突然重新定向事件（翻滚）中断。与此相反，方向变化的合成microswimmer（活性粒子，AP）是由旋转扩散，这是叠加与他们的平移运动，从而导致相当连续和缓慢的粒子重新取向。在这里，我们表明，活性粒子也可以进行游泳运动的平移和取向的变化被解开，类似于RNT。在我们的系统中，这种运动是通过粘弹性溶剂和自推进速度的周期性调制来实现的。在实验上，这是使用光激活的Janus胶体实现的，该胶体由随时间变化的激光场照射。我们观察到一个强大的增强有效的平移和旋转运动时的调制时间是可比的粘弹性流体的弛豫时间。我们的发现可以用弹性应力的松弛来解释，弹性应力在自我推进过程中积累，当活动停止时突然释放。除了更好地了解粘弹性环境中的主动运动，我们的研究结果可能会建议在复杂环境中的合成microswimmer新的转向策略。
2017-11-29 cond-mat.soft
Autonomous Engulfment of Active Colloids by Giant Lipid Vesicles
本研究设计由葡萄糖和光驱动的Janus胶体，揭示拉型游泳模式与粘附作用使活性粒子能自主触发巨型脂质囊泡的内吞吞噬，为药物递送和纳米医学提供物理原则。
2024-03-15 cond-mat.soft
Rapid-Prototyping a Brownian Particle in an Active Bath
粒子被外力踢出，产生不同于热扩散的移动性，这是活性物质问题的一个标志性特征。在这里，我们将其映射到一个最小的实验和理论模型，涵盖了通常的活性物质系统的广泛的时间和长度尺度。在光阱产生的谐振势中扩散的粒子被具有时间相关性的程序力以随机间隔踢出，踢出过程遵循泊松过程。该模型的通用的简单性，使我们能够找到的条件，位移是高斯（或不），扩散是如何扰动（或不）踢，并量化散热，以保持在一个活跃的浴的非平衡稳态。该模型再现了实验结果的示踪剂的流动性在一个活跃的浴游泳藻细胞。它可以被用来作为一个随机动态模拟布朗对象在各种活动浴没有机械的理解，由于协议的通用框架。
2021-01-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Ostwald-like ripening in the two-dimensional clustering of passive particles induced by swimming bacteria
研究运动细菌悬浮液中微米珠粒的二维动态聚集，揭示其由短程细菌诱导吸引力驱动，并在长时间呈现类 Ostwald 熟化的 t^(1/3) 生长规律。
2023-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
The flow field around a confined active droplet
我们在这里提出的第一种实验测量的流场周围的游泳水滴，使用共焦PIV在三维空间。液滴比连续油相更致密，并且靠近并平行于底壁游动。测量的流场的第一个定量特征和相比，在无界流的轴对称游泳者获得的流场。观察到重要的定性差异，特别是在平行于壁的平面中出现了强各向同性径向流场。这些根本的差异强调了限制对游动液滴周围流场的关键影响。然后，我们提出了一个分析配方，根据基本的流体动力学奇点以及经典的图像方法的游泳液滴的降阶描述。该模型能够准确地考虑壁面的影响，并将流场简化描述为轴对称偶极和四极奇点的叠加。我们证明，这种简化的描述定量捕获的偶极和四极组件的流场的壁的效果。进一步包括约束引起的浓度场的不对称性负责液滴的马兰戈尼推进，我们的模型也能够占单极贡献的实验流场驱动的液滴的主导远场签名。
2019-05-08 cond-mat.soft 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
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
Pressure and Flow of Exponentially Self-Correlated Active Particles
微观游动粒子，消耗能量执行持久的定向运动，是非平衡系统的一个经典例子。本文研究了非相互作用的Ornstein-Uhlenbeck粒子（OUP），它是由一个在有限时间内相关的力推动通过粘性介质。我们获得了一个精确的表达式的稳态相空间密度的一个单一的OUP限制的二次电位，并使用结果来探索更复杂的几何形状，无论是通过解析近似和数值模拟。在一个“Casimir”式的设置，涉及两个窄间距的墙壁，我们描述了一个粒子捕获现象，这导致了一个排斥有效的墙壁之间的相互作用，而在一个二维的环形几何形状，我们观察到的净应力类似的拉普拉斯压力。
2018-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Anomalous rheology of puller-type microswimmer suspensions
本研究通过直接流体动力学模拟揭示拉型微型游泳者悬浮液的异常流变机制，发现其收缩流场导致壁面附近垂直排列与取向序增强，主导整体动力学，且稳态行为受长径比和约束程度影响。
2025-03-03 cond-mat.soft
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
Diffusion of self-propelled particles in complex media
在复杂环境中，活跃的微生物的扩散在从细胞集落生长到单个生物体运输的广泛生物现象中起着重要作用。在这里，我们研究理论和计算的扩散的自推进粒子（生物体）嵌入在一个复杂的介质包括一个集合的非能动的固体颗粒，模仿土壤或其他细胞。在这样的条件下，我们发现，游泳方向的旋转弛豫时间取决于游泳速度，并大大减少相比，纯牛顿流体。这导致自推进颗粒的有效旋转扩散系数急剧增加（几个数量级），这可能导致活性颗粒在这种复杂介质中的“自捕获”。提出了一个分析模型，定量捕捉的计算结果。我们的工作揭示了环境在活性系统的行为中所起的作用，并且可以以简单的方式进行推广，以了解异质环境中的其他合成和生物活性系统。
2018-01-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Brownian Dynamics Simulations of Inclusions in an Active Fluid Bath
本文通过二维布朗动力学模拟研究活性向列流体浴中不同形状刚性内含物的扩散与旋转行为，揭示游动速度对手性漂移及平动—取向耦合的调控作用。
2025-05-14 cond-mat.soft physics.comp-ph
