Motile bacteria in a critical fluid mixture
我们研究了\textit{Escherichia coli}细菌在缓冲溶液中的非离子表面活性剂\chem{C_{12}E_{5}}的溶液中的临界点附近的游泳。在相差显微镜下，每个游动细胞在其身后产生持续数秒的短暂踪迹。比较定量图像分析与模拟结果表明，这些痕迹是由于局部相重组引发的差分吸附。这与在液晶中游泳的细菌中看到的类似踪迹形成对比，这是由于剪切效应。我们展示了我们的踪迹是如何控制的，并用它们来探测流体介质中临界波动的结构和动力学。
2018-08-05 cond-mat.soft
E. coli bacterium near corrugated surfaces: near-surface swimming, escape, and hydrodynamic trapping
Technische Universität Berlin（柏林工业大学）
通过水动力模拟研究非翻滚大肠杆菌在波纹表面附近的游动行为，发现表面曲率影响细菌的逃逸和捕获，高曲率促进振荡游动并增强捕获。
2026-07-02 cond-mat.soft
Transition to bound states for bacteria swimming near surfaces
众所周知，有鞭毛的细菌在水面附近绕圈游动。然而，最近的实验表明，一种名为Thiovulum majus的硫化物氧化细菌可以从圆形游泳转变为表面束缚状态，在这种状态下，它停止游泳，同时保持自由地沿着表面横向移动。在这种束缚状态下，细胞旋转垂直于表面，其鞭毛指向远离it. Using数值模拟和理论分析，我们证明了存在的流体-结构相互作用的不稳定性，导致细胞相对较短的鞭毛成为表面绑定。
2019-10-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
To cross or not to cross: collective swimming of Escherichia coli under two-dimensional confinement
大量流体中的细菌集体游动，并显示出迷人的涌现动力学。虽然细菌集体游泳的三维（3D）的几何形状已经得到了很好的研究，其对应的限制二维（2D）的几何形状相关的自然栖息地的细菌仍然知之甚少。在这里，通过精心设计的实验大肠杆菌在Hele-Shaw室，我们表明，一个小的变化程度的限制导致细菌集体游泳的急剧变化。虽然在相遇过程中可以交叉的细菌会出现长程极序，但腔室高度的略微降低会阻止交叉，导致形成短程极序的细菌簇。通过跟踪单个细菌的游泳动力学，我们揭示了这两个集体阶段的微观起源。我们的研究提供了重要的见解限制下的细菌集体游泳，并展示了一种方便的方法来控制集体阶段的涌现对称性。
2021-11-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming of peritrichous bacteria is enabled by an elastohydrodynamic instability
周围有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，通过使用专门的马达旋转多个螺旋丝来在流体中自我推进。每个马达的旋转被传递到一个称为钩的短而灵活的部分，该部分又将其传递到鞭毛丝，从而使整个细胞能够游泳。由于多个马达在空间上分布在生物体的身体上，人们会期望来自细丝的推进力相互推动，从而导致可以忽略的游泳。我们使用的计算和理论相结合，表明多鞭毛细菌的游泳是由弹性流体动力学弯曲不稳定性发生的钩更灵活的临界阈值。使用过去的测量钩弯曲刚度，我们展示了如何设计真正的细菌，使他们能够安全地在这方面的不稳定性，促进系统的游泳。
2018-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rectification of Swimming Bacteria and Self Driven Particle Systems by Arrays of Asymmetric Barriers
我们表明，最近的实验观察的整流游动细菌在一个系统中的一系列不对称的障碍发生由于弹道组件的细菌轨迹引入的细菌“马达”。“每个细菌都选择一个随机的运动方向，然后在这个方向上移动一段固定的时间，然后随机改变方向并向新的方向移动。在细菌仅经历布朗运动的极限中，屏障的整流不会发生。我们还研究了细菌之间的空间相互作用的影响，并观察到堵塞效应后，增加细菌密度。
2008-06-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Self-Sustained Density Oscillations of Swimming Bacteria Confined in Microchambers
我们用数值方法研究了被限制在两个由细通道连接的腔室中的运动和翻滚粒子的动力学。两个主要的动力学行为出现：（i）振荡泵送状态，其中颗粒定期填充两个容器和（ii）循环流动状态，动态地保持接近恒定的人口水平的容器时，由两个通道连接。我们表明，振荡行为产生于一个狭窄的通道，防止细菌重新定向，和密度依赖的运动室内的组合。
2015-11-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Imaging the emergence of bacterial turbulence: phase diagram and transition kinetics
我们通过实验研究了集体细菌游泳的出现，这种现象通常被称为细菌湍流。绘制了3D E.系统地绘制了由细菌浓度、细菌游动速度和主动游动者的数量分数所跨越的大肠杆菌悬浮液的运动图，该图与动力学理论定量地一致，并证明了流体动力学相互作用在细菌集体游动中的主导作用。更重要的是，我们通过突然增加光动力细菌的游泳速度来触发细菌湍流，并实时成像到湍流的过渡。我们的实验确定了两个不寻常的动力学途径，即，在相边界附近具有长孕育期的一步转变和由湍流相内部深处的长波长不稳定性驱动的两步转变。我们的研究不仅提供了现有理论的定量验证，但也提供了新的见解粒子间的相互作用和过渡动力学的细菌湍流。
2021-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Directional Swimming of B. Subtilis Bacteria Near a Switchable Polar Surface
本研究探究枯草芽孢杆菌在铁电向列液晶表面附近的游泳行为，发现细菌沿与自发极化反平行的方向运动，速度不受极性层影响，且不被固定，为体内引导细菌运动提供新途径。
2024-12-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
Oscillatory surface rheotaxis of swimming E. coli bacteria
生物导管、导管或水资源的细菌污染是对公共卫生的一个主要威胁，并且可以通过细菌逆流而上的能力而扩大。这种趋流性的机制，相对于流动梯度的重新定向，往往在复杂和封闭的环境中，仍然知之甚少。在这里，我们跟随个体E。大肠杆菌细菌游泳在剪切流下的表面与两个互补的实验测定，基于三维拉格朗日跟踪和荧光鞭毛标记，我们开发了一个理论模型，他们的趋流运动。随着剪切速率的增加，确定了三个转变：高于第一临界剪切速率，细菌转向上游游泳。第二个阈值后，我们报告发现的振荡趋流性。在第三次转变之后，我们进一步观察到沿正涡度方向和负涡度方向的趋流性共存。一个完整的理论分析解释了这些制度，并预测相应的临界剪切速率。预测的跃迁以及振荡动力学与实验观察结果非常一致。我们的研究结果揭示了细菌运输的新情况，并揭示了污染预防的新策略。
2018-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Noisy swimming at low Reynolds numbers
小型生物体（例如，细菌）和人造微泳者由于主动游泳和被动布朗运动的组合而移动。考虑一个简化的线性三球游动体，我们研究了游动体的大小如何调节低雷诺数下自驱动和扩散行为之间的相互作用。从Kirkwood-Smoluchowski方程及其相应的Langevin方程出发，导出了三维空间中的方位相关时间、平均速度和均方位移的计算公式。通过数值模拟说明了分析结果的有效性。将游泳者参数调整到细菌的典型值，我们发现三个特征区域：（i）小时间的布朗运动，（ii）中间时间尺度的准弹道行为，以及（iii）由于噪声引起的取向翻转而在大时间的准扩散行为。我们的分析结果可以用于更好地定量了解细菌系统中的最佳觅食策略，并且它们可以帮助在波动的流体中构建更有效的人工微游泳者。
2009-07-06 cond-mat.soft
Hydrodynamic hovering of swimming bacteria above surfaces
本研究结合数值模拟与理论，揭示了带鞭毛细菌在表面上方流体动力学悬停的物理起源，阐明细胞体形态不对称的作用，并提出协调近远场流体动力学的极简模型。
2024-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
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
A two-sphere model for bacteria swimming near solid surfaces
我们提出了一个简单的模型，细菌像\emph{Escherichia coli}游泳附近的固体表面。它由两个不同半径的球体组成，球体之间由一根无阻力杆连接。鞭毛的影响是通过在尾球上施加力和杆在球上施加的相反扭矩来考虑的。通过分别考虑单个球体与表面的相互作用以及与另一个球体产生的流动的相互作用，计算球体上的水动力和扭矩。在数值上，我们求解包含几何约束和无力无矩条件的线性系统。这个游泳者在固体边界附近的动力学非常丰富，根据初始条件显示出三种不同的行为：（1）在与壁接触的情况下绕圈游泳，（2）在距壁有限距离处绕圈游泳，以及（3）远离壁游泳。此外，圆周运动的曲率半径的数量级在$8-50\,μ$ m的范围内，接近实验观察到的值。
2011-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming in circles: Motion of bacteria near solid boundaries
在固体边界附近，E.大肠杆菌以顺时针方向作圆周运动。我们为这种行为提供了一个流体动力学模型。我们表明，圆形轨迹是自然的后果，无力和无扭矩的游泳，以及与边界的流体动力学相互作用，这也导致了流体动力学捕获的细胞接近表面。我们比较了模型的结果与实验数据，并获得合理的协议。特别是，我们表明，曲率半径的轨迹的细菌体的长度增加。
2005-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Multiflagellarity leads to the size-independent swimming speed of peritrichous bacteria
本研究通过实验、建模与模拟证明大肠杆菌的游泳速度与体长无关，该现象源于体长与鞭毛数量的线性关系及多鞭毛集体负载分担机制，解决了长期争议。
2023-10-25 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
Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspensions of swimming filamentous bacteria
我们研究的集体动力学细长的游泳者在一个非常薄的流体层设计长，丝状，非翻滚细菌。强约束诱导弱的碰撞时，其中，足够大的密度的细胞，引起全球的有序排列。这种均匀但波动的相，在最大的实验上可达到的毫米尺度上观察到，表现出由标准模型预测的群集特性，如Vicsek风格的极性粒子模型与排列：真正的长程有序和非平凡的巨数波动。
2017-02-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Swimming in a Crystal:
我们研究了在二维胶体晶体中游泳的Janus游泳者和大肠杆菌。Janus游泳者围绕单个胶体运行，并随机在胶体之间跳跃，跳跃率与燃料（过氧化氢）浓度成反比。在高燃料浓度下，这些轨道在100秒的旋转中是稳定的，并且轨道速度由于游泳者和六个相邻胶体之间的流体动力学和可能的泳动相互作用而周期性地振荡。运动E.~大肠杆菌在同一胶体晶体中的行为非常不同：它们在普通玻璃上的圆形轨道被纠正成长而直的运行，因为细菌无法在晶体中转弯。
2015-08-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Enhanced diffusion of tracer particles in dilute bacterial suspensions
游动的细菌产生长距离的速度场，搅拌大量的流体，并围绕分散在流体中的被动颗粒移动。最近的实验和模拟表明，长时间的均方位移的被动粒子在浴中的游泳细菌表现出扩散行为的有效扩散系数显着大于其热对应。这种有效扩散系数的全面理论预测和增强机制的理解仍然是一个挑战。在这里，我们采用Lin等人的动力学理论，J.Fluid Mech.669，167（2011）针对细菌情况的“蠕动者”开发，以定量地预测示踪剂颗粒在游动细菌的稀释的二维和三维悬浮液中的增强的扩散率。我们证明，有效扩散系数是一个产品的细菌数密度，他们的游泳速度，一个几何因素表征的速度场由一个单一的细菌，和一个数值因子。我们表明，数值因子是，事实上，一个相当强大的功能的系统参数，最显着的运行长度的细菌，这些依赖关系必须考虑到定量预测增强扩散。我们进行分子动力学类型的模拟，以确认动力学理论的结论。我们的结果是在最近的二维和三维实验中测得的增强扩散系数的值在一个很好的协议。
2013-08-15 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
Hydrodynamic and geometric effects in the sedimentation of model run-and-tumble bacteria
细菌悬浮液中的沉降过程是重力和微生物的内在运动之间竞争的结果。我们对在流体介质中移动的奔跑翻滚“蠕动者”进行了模拟，重点关注非平衡稳态对细菌游泳特性的依赖性。我们发现，足够高的活动，密度分布不再是简单的指数，我们恢复的数值结果，通过引入一个本地的有效温度，这表明Perrin的指数形式的故障是一个集体效应，由于发病的流体介导的动态粒子之间的相关性。我们表明，类似的概念也可以适合的情况下，振动筛，我们报告的第一次研究这种。此外，我们提供的证据的情况下，溶剂流体动力学诱导的非局部效应，需要考虑到完全三维的动态，以了解活性悬浮液的沉降。最后，通过对细菌游动方向的统计分析，讨论了稳态沉降曲线中极性序的出现。
2021-11-10 cond-mat.soft
Dynamics of swimming bacteria at complex interfaces
已知利用螺旋推进的鞭毛细菌沿着表面附近的圆形轨迹游泳。流体动力学预测这种圆周运动在刚性表面上方为顺时针（CW）（当从流体内部观察时），在自由表面下方为逆时针（CCW）。最近的实验研究表明，在附近的表面复杂的物理化学过程可能会导致旋转方向的变化，无论是在固体表面吸收防滑诱导聚合物和界面覆盖表面活性剂。受这些结果的启发，我们使用远场流体动力学模型来预测三种类型的接口附近的游泳运动学：干净的流体-流体界面，滑动刚性壁，和不可压缩的表面活性剂覆盖的流体界面。代表螺旋游泳者的流体动力学奇点的叠加，我们首先表明，在所有情况下，表面重新定向的游泳者平行于表面，并吸引它，这两者都是一个后果的斯托克斯偶极子组件的游泳者流场。然后，我们表明，圆周运动引起的高阶奇异性，即rotlet偶极子，其旋转方向（CW与CCW）的界面和细菌形状的边界条件的强烈影响。因此，我们的研究结果表明，复杂界面的流体动力学提供了一种选择性地搅拌细菌的机制。
2014-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swimming Efficiently by Wrapping
本研究探讨了单鞭毛细菌在圆管内伸展与包裹两种游动模式的水动力学，发现包裹模式在强受限条件下因平移-旋转耦合增强和阿基米德螺旋构型而比伸展模式更高效。
2024-07-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
A stochastic model for directional changes of swimming bacteria
在这项工作中，我们引入了一个随机模型来描述游泳细菌运动的方向变化。我们使用翻转野生型{ \it E. coli}，建立了各向同性介质中游动细菌体偏转的Langevin方程。我们已经解决了这个方程解析的格林函数方法，并表明，三个参数足以描述的运动：特征时间，稳态解和控制参数。我们的结论是，翻滚运动，这是表现为突然转弯，主要是由鞭毛电机产生的旋转升压和补充由噪声引入的旋转扩散。我们表明，在翻滚运动的偏转是一个非平稳的随机过程中发生的翻滚的时间。通过调整控制参数，我们的模型能够解释细菌在运行过程中围绕其质量中心的小转弯。我们表明，在运行过程中的偏转是一个OrnsteinUhlenbeck过程，这对于典型的运行时间是固定的。我们的结论是，沿运行，旋转的助推不存在，只有旋转扩散仍然存在。因此，我们有一个单一的模型来解释的转折，通过一个临界值，可以解释两个转折行为之间的过渡。该模型是在运行或翻滚运动期间的细菌，通过可以调节的控制参数，该控制参数还能够以非常令人满意的方式解释所有可用的统计实验数据，例如运行和翻滚运动的PDF和转向角度时间的平均值。
2017-05-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Langevin equations for the run-and-tumble of swimming bacteria
游动细菌的奔跑和翻滚运动由两个随机变量很好地表征：速度$v(t)$和方向或偏转的变化\mbox{$x(t)=\cosφ(t)$}，其中$φ(t)$是时间$t$的转向角。最近，我们介绍了[ Soft Matter { \bf 13}，3385（2017）]一种用于{$x(t)$ E.大肠杆菌}细菌在各向同性介质中进行两种类型的运动，没有的士，根据现有的实验数据。在这项工作中，我们引入朗之万方程的变量$(v,x)$，其中特定值的控制参数$β$对应于运行和翻滚运动，分别。这些朗之万方程有解析解，这使得详细计算两种运动的统计特性成为可能。假设随机过程$x$和$v$是不独立的翻滚过程中，我们发现，有小的位移的质量中心沿法线方向的轴的细菌体，一个后果的鞭毛解开在运行到翻滚过渡。关于翻滚，我们表明，通过方向相关性，该过程是不稳定的实验测得的特性翻滚时间的顺序的翻滚时间。的均方位移进行了详细的研究，即使在非静止状态下的运动。我们确定翻滚和运行时间的扩散和弹道系数，建立它们的属性和关系。
2018-02-01 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
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
Deciphering the dual chemotaxis strategy of bacteria in porous media
该研究揭示了多孔介质中土壤细菌恶臭假单胞菌的双重趋化策略，发现除游动时间偏倚外，还存在转向角偏倚策略，且后者是多孔环境中细菌趋化的主导方式。
2025-03-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Damage and recovery of flagella in soil bacteria exposed to shear within long microchannels
本文通过长微通道剪切实验与运动性监测，揭示 B. diazoefficiens 鞭毛丝的剪切断裂及再生恢复，并测得侧生与近极生鞭毛丝的不同再生时间。
2025-01-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Control of microswimmers by spiral nematic vortices: transition from individual to collective motion and contraction, expansion, and stable circulation of bacterial swirls
由自推进单元组成的主动系统表现出从类布朗动力学到集体相干运动的迷人转变。游动细菌的旋转就是一个很好的例子。这项研究表明，作为一个螺旋漩涡图案的液晶环境控制细菌漩涡中的个体到集体的转变，并定义它们是扩张还是收缩。在稀释的分散体中，细菌沿着开放的螺旋轨迹游动，遵循预先施加的分子取向。轨迹是非极性的。当它们的浓度超过某个阈值时，细菌凝结成类似于稳定极限环的单极圆形漩涡。此集体圆周运动由定义背景指向矢的展曲与弯曲比的螺旋角控制。具有主导张开的涡旋使涡旋向中心收缩，而具有主导弯曲的涡旋使涡旋向外围扩展。具有展曲-弯曲宇称的45 °螺旋涡产生最稳定的漩涡。所有的动力学场景解释的细菌介导的模式化的被动环境和浓度和方向之间的耦合的流体动力学相互作用。获得如何通过微环境控制微型游泳者的个体和集体运动的知识可以帮助发展微观机械系统。
2020-06-22 cond-mat.soft
Intermittent Run Motility of Bacteria in Gels Exhibits Power-Law Distributed Dwell Times
研究 P. putida 在不同浓度琼脂凝胶中的间歇奔跑运动，发现停留时间呈幂律分布，并提出可再现均方位移时间依赖性的最小主动粒子模型。
2024-08-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Accumulation and depletion of E. coli in surfaces mediated by curvature
本文通过正弦表面附近大肠杆菌的实验与极简模拟，揭示表面曲率控制细菌积累与耗竭的机制，并发现临界曲率与细菌长度倒数成比例，超过该曲率时细菌稳定取向由沿壁转为垂直壁面并被困于波谷。
2023-08-07 cond-mat.soft
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
Diffusion of an ellipsoid in bacterial suspensions
活性物质，如群集细菌和运动胶体，表现出不同于传统平衡物质的奇异性质。在这些性质中，示踪粒子的增强扩散通常被认为是活性物质的标志。在这里，而不是球形示踪剂，我们调查的扩散孤立的椭球体在准二维细菌浴。我们的研究揭示了平移和旋转扩散的非线性增强。更重要的是，我们发现了一个反常的耦合之间的平移和旋转，是严格禁止在经典的布朗扩散。结合实验与理论建模，我们表明，这样的异常来自游泳细菌引起的通用拉伸流。我们的工作说明了一个普遍的组织原则的活性物质，并揭示了新的光在微生物系统中的基本运输过程。
2016-02-10 cond-mat.soft
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
Bacteria display optimal transport near surfaces -- bacteria as intermittent active chiral particles: trapped by hydrodynamics, escaping by adhesion
细菌的近表面游泳模式强烈地由细菌和表面之间的流体动力学相互作用决定，其将细菌捕获在光滑的圆形轨迹中，导致低效的表面探索。在这里，我们通过结合实验和数据驱动的数学模型表明，肠出血性大肠杆菌（EHEC）的表面探索-一种致病性大肠杆菌菌株。大肠杆菌引起严重的疾病，如出血性腹泻-结果之间的复杂相互作用的运动和短暂的表面粘附事件。这些事件允许EHEC打破平滑的圆形轨迹，并通过使用停止粘附事件来调节其传输特性，导致表面上的特征间歇运动。我们发现，实验测得的停止粘附事件在肠出血性大肠杆菌的频率位于由开发的数学模型，最大限度地提高细菌表面扩散的预测值。我们表明，这些结果和开发的模型适用于其他细菌菌株在不同的表面，这表明，游泳细菌使用瞬时粘附调节表面运动。
2019-12-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
The wobbling-to-swimming transition of rotated helices
越来越多的工作旨在设计和测试微米级的合成游泳者。一种方法是受鞭毛细菌运动的启发，将旋转磁场施加到一个固定在磁头上的刚性螺旋桨上。当所得到的装置，称为人造细菌鞭毛，垂直于所施加的磁场排列时，螺旋旋转，游泳者向前移动。人工细菌鞭毛的实验研究表明，在低频的外加场，螺旋的轴不对齐垂直的字段，但围绕螺旋摆动，随着磁场频率的倒数的角度增加。通过数值计算和渐近分析，我们给出了这种摆动行为的理论解释。我们数值模拟了摆动到游泳的过渡作为一个功能的螺旋几何形状和无量纲梅森数量化的粘性转矩的比例。然后，我们采用了近直螺旋的渐近展开，以获得一个分析估计的摆动角，使我们的计算和过去的实验结果合理化。研究结果对人工螺旋泳具的设计具有一定的指导意义。
2014-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Painting with bacteria: Smart templated self assembly using motile bacteria
对“活性粒子”游动速度的外部控制可用于在微米至毫米尺度上就地自组装设计结构。我们证明了这种可重构的模板活性自组装在流体环境中使用光动力菌株的大肠杆菌。控制图案的锐度和形成速度的物理学和生物学研究使用定制的快速响应菌株。
2017-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling bacterial flow field with regularized singularities
Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院理论物理研究所）；School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学物理科学学院）；Graduate School of Engineering Science, The University of Osaka（大阪大学工学研究科）；Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室）；Wenzhou Institute, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学温州研究院）
本文提出结合各向异性正则化应力元与各向同性正则化源双极子的模型，准确再现游泳细菌周围的流动场，通过实验和边界元方法验证，适用于自由空间和受限空间。
2026-03-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Contractile and chiral activities co-determine the helicity of swimming droplet trajectories
活性流体是一类非平衡系统，其中能量通过组成颗粒本身连续注入系统。许多例子，如细菌悬浮液和肌动球蛋白网络，在局部尺度上是固有手性的，因此它们的活动涉及扭矩偶极子以及通常考虑的力偶极子。尽管人们已经对活性流体的许多方面进行了研究，但手性对它们的影响却知之甚少。本文用计算机模拟方法研究了手性活性流体非结构液滴的三维动力学。我们的模型只考虑了最简单的可能组合的手性和非手性主动应力，但这导致了一个前所未有的范围内的复杂motilities，包括振荡游泳，螺旋游泳，和运行和翻滚运动。引人注目的是，虽然在一个政权的螺旋游泳的手征性是相同的扭矩偶极子的微观手征性，这两个是相反的在另一个。这些运动模式的一些特征类似于一些单细胞原生动物的运动模式，这表明一些生物系统和合成活性液滴可能共享潜在的机制。
2017-06-23 cond-mat.soft
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
The N-flagella problem: Elastohydrodynamic motility transition of multi-flagellated bacteria
有鞭毛的细菌如大肠杆菌通过形成螺旋状的鞭毛束在粘性液体中游动。细丝在空间上分布在细胞体周围，它们通过柔性钩连接到细胞体。要了解如何游泳的细胞的方向是确定的，我们从理论上研究的弹性流体动力学运动的多鞭毛细菌的问题。具体地说，我们考虑一个球形细胞体与数目N的鞭毛最初是对称地安排在一个平面，以提供一个平衡态。我们解析地解决线性稳定性问题，并发现，最多6个模式可以是不稳定的，这些对应的自由度的刚体运动的细胞体。虽然存在一个旋转为主的模式，产生可以忽略不计的运动，我们表明，对于细菌的典型形态参数的最不稳定的模式导致在一个方向上的线性游泳伴随着围绕同一轴的旋转，实验观察到。
2019-04-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Directed collective motion of bacteria under channel confinement
已知游动细菌的稠密悬浮液表现出由空间和流体动力学相互作用的相互作用引起的集体行为。无限制的悬浮液呈现出瞬时的、循环的旋涡和射流，而那些被限制在圆形区域内的悬浮液则呈现出螺旋旋涡的形式。在这里，我们表明，限制到一个长而窄的宏观“赛道”的几何形状稳定细菌运动，形成一个稳定的单向循环。这种运动在离散游泳者的模拟中再现，揭示了细菌驱动的流体流动在动力学中发挥的关键作用。特别是，靠近通道壁的细胞产生强烈的气流，使大量细胞逆着它们的游泳方向平流运动。我们详细研究了从无序状态到持续定向运动的过渡作为通道宽度的函数，并表明在交叉点处的宽度与无界系统中看到的漩涡的典型相关长度相当。我们的研究结果揭示了驱动细菌和其他活性物质系统集体行为的机制，并强调了自然栖息地中无处不在的边界的重要性。
2016-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Microswimmers in Patterned Environments
我们通过实验和模拟演示了微观自推进粒子如何在呈现复杂空间特征的环境中导航，这些特征模拟了细胞，生物体和未来芯片实验室设备内的条件。特别是，我们表明，在存在周期性的障碍，microswimmer可以转向，甚至垂直于所施加的力。由于这种行为对它们特定游泳方式的细节非常敏感，因此可以用来开发先进的分类，分类和透析技术。
2011-05-24 cond-mat.soft 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
