Swimming efficiency in viscosity gradients
本文研究了粘度梯度对微型游动器运动效率的影响，发现推进型和拉拽型游动器在粘度梯度中表现出相反的效率变化，且均具有负粘性趋向性，同时形状和步态对动力学和效率起重要作用。
2024-05-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
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
Rheotaxis of microswimmers in colloid-laden channel flow
Indian Institute of Technology, Madras（印度马德拉斯理工学院）；Indian Institute of Science, Bengaluru（印度科学研究所班加罗尔）
采用球形方柱模型和多粒子碰撞动力学模拟，研究硬球胶体存在下通道流中微游泳者（推进型、牵引型或中性型）的运动行为，发现胶体使推进型游向中心上游、牵引型在低速时偏离中心，高速时所有游泳者被流携带并主导上游取向。
2026-05-24 cond-mat.soft 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
Confinement induced three-dimensional trajectories of microswimmers in rectangular channels
该研究通过数值模拟与解析方法，系统探究了矩形通道中不同类型微游泳体的三维轨迹规律，揭示了流体动力相互作用的影响，并提出基于叠加原理的方法解释复杂轨迹的起源。
2023-11-09 cond-mat.soft 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
Hydroelastic scattering and trapping of microswimmers
本文利用微扰理论研究 pusher 和 puller 在可变形边界附近的水弹性耦合游动，发现 pusher 既能发生水弹性散射也能被边界捕获，揭示了可变形边界与平面壁附近行为显著不同的机制。
2025-02-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Reorientation dynamics of microswimmers at fluid-fluid interfaces
我们研究了被困在流体界面的球形微泳者的定向和平移动力学，在他们的流场的力偶极子和源偶极子分量。利用数值模拟和分析计算，我们表明，力偶极子施加扭矩，定向平行于接口的推杆，和在正常方向上的拉力。源偶极子的结果，在粒子旋转只有有限的粘度对比两种流体之间，与以前的研究一致。这两个贡献的叠加导致旋转动力学的稳定状态的方向，取决于力和源偶极子的相对大小。在一般情况下，游泳者与弱力偶极子和强大的拉力观察到对齐垂直的接口，并成为固定的，而强大的推动者有一个有限的倾角朝向较低粘度的流体和游泳沿接口。
2022-04-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dissipation and microstructure in sheared active suspensions of squirmers
School of Advanced Manufacturing Engineering, Nanjing University（南京大学高级制造工程学院）；Department of Mechanical Engineering and Institute of Applied Mathematics, University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学机械工程系与应用数学研究所）
研究揭示了剪切作用下squirmers悬浊液中活动与流动对耗散和微结构的相互作用，发现剪切增强耗散但降低相对粘度，且推者比拉者在低剪切速率下消耗更多能量。
2026-10-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The role of correlations in the collective behaviour of microswimmer suspensions
在这封信中，我们研究了大量的自我推进的microswimmer浸没在流体中的集体行为。使用前所未有的大规模格子玻尔兹曼模拟，我们再现了细菌湍流的过渡。我们发现，即使低于过渡，游泳运动在一个相关的方式，不能描述的平均场方法。我们开发了一种新的动力学理论，捕捉这些相关性，是非微扰的游泳者密度。为了提供一个实验上可访问的相关措施，我们计算被动示踪剂的扩散率，并揭示其非平凡的密度依赖性。该理论是在定量协议与格子玻尔兹曼模拟，并捕捉不对称的推和拉游泳下面的过渡到湍流。
2017-07-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
Irreversibility and Chaos in Active Particle Suspensions
活性物质由于其重要的基础性质和应用性质，近年来成为大量研究的对象。在本文中，我们调查的微型游泳者的主动悬架通过直接的数值模拟，所以没有近似是在连续的水平以外的数值。我们考虑推和拉有机体，具有球形或椭球形。我们分析了二维均匀悬浮液的速度和特征尺度以及剪切下的有效粘度。我们带来的证据表明，复杂的功能显示有关的时间反演对称性的自发破缺。我们表明，混沌不是一个关键的成分，而大量的相互作用的粒子和非球形的形状需要打破对称性，因此在基础上的现象。我们的数值研究还表明，拉子显示出一些集体运动，但与推子不同的特点。
2020-05-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Sedimentation and structure of squirmer suspensions under gravity
本研究利用DPD粗粒化模型模拟重力场下微型游泳者悬浮液沉降，发现随重力增强底层转变为六方晶体有序态，且puller比pusher更易重排并维持底层六方有序性。
2024-11-20 cond-mat.soft
Pure hydrodynamic instabilities in active jets of "puller" microalgae
该研究利用趋光性引导莱茵衣藻形成活性射流，通过控制细胞取向调控珠化和屈曲不稳定性，并结合解析模型与模拟证实自生流动可致射流失稳，表明拉拽型粒子在适当取向下可表现出推挤型行为，展示了光对活性流体的高效控制能力。
2025-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of microswimmers near a soft penetrable interface
很少有模拟存在的变形界面附近的微泳。在这里，我们提出了一个单一的microswimmer嵌入在一个二元流体混合物的流体动力学流动的数值模拟。这两种流体分层，分离的可穿透和可变形的界面，我们假设最初准备在其平面基态。我们发现，microswimmer可以穿透的接口，平行于它或反弹回来了it. We分析的轨迹如何取决于游泳者类型（推/拉）和相对于接口的入射角。我们的模拟是在一个系统中进行的周期性边界条件，对应于一个无限阵列的流体界面。拉头达到一个稳定的状态，在这个状态下，它要么平行于界面游动，要么选择一个垂直的方向，反复穿过界面。相比之下，推进器遵循两个界面之间的弹跳轨迹。我们讨论了生物学中的几个例子，其中游泳者穿透软界面。我们的工作可以被看作是这种过程的高度简化的模型。
2022-05-22 cond-mat.soft
Alignment-Induced Self-Organization of Autonomously Steering Microswimmers: Turbulence, Vortices, and Jets
Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Peter Grünberg Institute（彼得·格林贝格研究所）；Jülich Centre for Neutron Science（于利希中子科学中心）；Institute for Advanced Simulation（高级模拟研究所）
通过介观流体动力学模拟，研究自转向极性微游泳者（推者和拉者）在流体动力学对齐下的集体运动，发现推者呈现主动湍流，拉者出现团簇、涡环和射流等丰富现象。
2024-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Programmable Hydrodynamics of Active Particles
本研究通过编程控制活性粒子的流体动力学特性，实现了推者与拉者之间的动态切换，为探索活性物质在外部约束下的集体行为提供了新的实验手段。
2025-12-23 cond-mat.soft
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
The hydrodynamics of slender swimmers near deformable interfaces
本文研究了运动细长微游泳体与分离两个牛顿流体区域的可变形界面之间的耦合流体动力学。从由游泳运动产生的扰动场，我们定量表征的接口变形和耦合修改的microswimmer翻译本身的方式。我们对待的角色的游泳者类型（推和拉），尺寸和模型的接口，可以变形，由于表面张力和弯曲弹性。我们的分析揭示了强烈的依赖性的流体动力学的游泳者的方向和位置。给定两种流体介质的粘度、界面性质和游动体类型，游动体可以根据其配置朝向或远离界面迁移。当游泳者平行于界面定向时，如果其在更粘滞的流体中游泳，则推动器型游泳者在短时间内从界面被排斥。然而，在很长一段时间，推总是吸引界面，拉总是从它排斥。另一方面，垂直于界面取向的游泳者表现出相反的平行游泳者的迁移模式。因此，一个主机的复杂的迁移轨迹出现任意取向的界面的游泳者。我们发现，限制一个游泳者之间的刚性边界和可变形的接口的结果在制度的吸引力对两个表面取决于游泳者的位置在通道中，无关的粘度比。不同的迁移模式是最突出的顺序从接口，细长的游泳者模型产生一个更好的近似耦合流体动力学的游泳者大小的区域。
2022-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Amoeboid motion in confined geometry
许多真核细胞经历频繁的形状变化（描述为变形虫运动），使它们能够向前移动。本文研究了约束对一个变形虫游泳者的极小模型的影响。复杂的图片出现：（一）游泳者的性质（即，推动器或拉动器）可以通过限制来改变，因此表明这不是游泳者的固有特性。这种游泳性质的转变源于膜变形的复杂的内部自由度。(ii)游泳速度可能会随着限制的增加而增加，然后随着限制的加强而再次降低。(iii)直的变形虫游泳者在通道中的轨迹可能变得不稳定，并且游泳者的充分的横向偏移占优势。这种情况发生在推式和拉式游泳者身上。对于弱约束，这些偏移是对称的，而它们在较强约束下变得不对称，由此游泳者更靠近两个壁中的一个。在这项研究中，我们结合数值和理论分析。
2015-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
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
Maximum in density heterogeneities of active swimmers
悬浮液的单细胞microswimmer，如鞭毛细菌或游动藻类表现出自发的密度异质性在足够大的浓度。根据生物致动附件（即鞭毛或纤毛）的相对位置，微泳者的推进机制可以分为两类：（i）推动器，如\textit{E. coli}细菌或精子，其在其后部产生推力，将流体推离它们并将其自身向前推进;（ii）牵引器，如微藻\textit{Chlamydomonas reinhardtii}，其具有连接到其前部的两个鞭毛，将流体拉入，从而在其前部产生推力。我们介绍了一种新的生物microswimmer模型，创建相应的microswimmer的流场，并考虑到游泳者的身体和中风平均鞭毛的形状各向异性。通过采用多粒子碰撞动力学，我们直接耦合到流体的游泳者的动力学。我们的非平衡相图的特点，作为填充分数和Péclet数是不同的，并发现密度不均匀性的分布中的拉和推，由于流体动力学的不稳定性。我们发现一个最大程度的集群在中间填充分数和大Péclet数导致的竞争的流体动力学和空间的相互作用之间的游泳者。我们开发了一个分析理论，支持这些结果。该最大值可能代表微生物在其环境中定殖的最佳值。
2017-11-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Orientational dynamics and rheology of active suspensions in weakly viscoelastic flows
本文研究弱粘弹性剪切流中微型游泳者悬浮液的取向动力学与流变学，发现活性粘弹性应力改变 Jeffery 轨道，pusher 型游泳者可抵抗旋转，且活性与弹性响应显著放大游泳者诱导粘度，使超流态在更低体积分数下出现。
2023-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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 Dynamics in a Monolayer of Squirmers Confined to a Boundary by Gravity
采用多粒子碰撞动力学模拟方法，对单层蠕动模型微泳者在强重力作用下被限制在边界上的流体动力学进行了研究。蠕动体通过自生的流体动力学流场相互作用，从而在密度和蠕动体类型变化时形成各种迷人的动力学状态。弱推动器、中性蠕动器和拉动器具有直立方向。通过它们的流场，它们将邻居推开，从而形成低密度的流体动力学维格纳流体。此外，波动链和三聚体，接吻，并在大密度的全球集群存在的状态。最后，所有密度的推进器都可以相对于壁法线倾斜，并且它们的面内速度对齐以显示群集。在高密度下，它变成了混乱的群集。我们定量地描述了所有这些状态。
2019-06-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Chirotactic response of microswimmers in fluids with odd viscosity
本文研究了具有时间反演和宇称对称性破缺的手性活性流体中微观游动者的取向动力学，发现力偶极矩游动者绕奇粘性轴进动，推型游动者表现出双峰手性趋向，拉型游动者在垂直平面内轨道运动，而自身宇称破缺的手性游动者则表现出单峰手性趋向。
2024-08-08 cond-mat.soft
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
Effective viscosity of non-gravitactic Chlamydomonas Reinhardtii microswimmer suspensions
已知主动微泳者以比被动颗粒更复杂的方式影响悬浮液的宏观粘度。对于拉式微泳者，已经观察到粘度的增加。有人认为，持续的方向的微型游泳者阻碍了旋转，通常是由涡度。以前的研究表明，某些种类的藻类是底部重的游泳者，即它们的质量中心不在身体的中心。以这种方式，当藻类垂直于重力轴定向时，藻类影响流动的涡度。重力对涡旋的这种定向在配备有锥板几何形状的流变仪中给出。在这里，我们提出了在锥板和泰勒-库埃特细胞的粘度测量。这两种设置产生了相同的粘度增加，虽然在泰勒-库埃特细胞的引力轴是平行的涡度方向。在一个补充实验中，我们通过显微镜观察单个\textit{Chlamydomonas reinhardtii}来测试游泳方向的取向，并且不能识别优选取向，即。e.我们的特定\textit{Chlamydomonas reinhardtii}菌株不是底部重的游泳者。因此，我们得出结论，底部沉重不是粘度增加的先决条件，重力对我们的\textit{Chlamydomonas reinhardtii}菌株的流变学的影响可以忽略不计。这一发现重新提出了一个问题，即细胞取向的持久性起源是否实际上是悬浮液粘度增加的原因。
2013-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Dynamics of squirmers in explicitly modeled polymeric fluids
本研究利用squirmer模型模拟微型游泳者在聚合物流体中的运动，揭示局部微结构、非连续介质效应及直接丝状物相互作用对不同类型squirmer速度的关键影响。
2023-06-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic length-scale selection and effective viscosity in microswimmer suspensions
主动悬浮液中的中尺度湍流的一个普遍特征是出现典型的涡长尺度，这与湍流高雷诺数流动的尺度不变性明显不同。在细菌液体、内皮组织和活性胶体中已经观察到集体长度尺度选择，但这种现象的物理起源仍然难以捉摸。在这里，我们系统地推导出一个有效的四阶场论从一个通用的微观模型，使我们能够预测在microswimmer悬浮液中的典型涡流大小。建立在自洽封闭条件下，推导表明，涡的长度尺度是由当地的对齐力和中程水动力相互作用之间的竞争。涡流结构的理论模拟中发现同意最近的测量枯草芽孢杆菌悬浮液。此外，我们的方法正确地预测了一个有效的粘度增强（降低），如实验报告的拉（推）微生物。
2015-09-30 cond-mat.soft
Active matter invasion of a viscous fluid: unstable sheets and a no-flow theorem
我们研究了流体动力学相互作用的运动或不运动的应力产生的游泳者或颗粒的稀悬浮液的动力学，因为它们侵入周围的粘性流体。对齐的推杆颗粒的殖民地被示出为在颗粒取向的方向上伸长，并经历横向浓度不稳定性的级联，在小的时间由一个方程，该方程还描述了在一个海勒-肖细胞的Saffman-Taylor不稳定性，或Rayleigh-Taylor不稳定性在通过多孔介质的二维流动。对齐的推动颗粒的薄片总是不稳定的，而对齐的拉动颗粒的薄片可以是稳定的（不动颗粒），或者是不稳定的（运动颗粒），其生长速率在力偶极强度中是非单调的。我们还证明了一个令人惊讶的“无流定理”：一个分布最初各向同性的方向立即失去各向同性，但在这样一种方式，导致没有流体流动的所有地方和所有的时间。
2018-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Feeders and Expellers, Two Types of Animalcules With Outboard Cilia, Have Distinct Surface Interactions
本文根据外侧纤毛产生的旋流方向将拉式微型游动者分为喂食型和排出型，并通过轮虫与绿藻实验证明两类生物在近壁面分别表现为稳定附着和散射，揭示了表面相互作用的新机制。
2024-06-29 cond-mat.soft q-bio.CB
Particle-resolved lattice Boltzmann simulations of 3-dimensional active turbulence
悬浮液中的微型游泳者的集体行为往往是由长期的流体动力学相互作用的影响。这些现象包括主动湍流，其中足够密度的推进细菌悬浮液表现出大规模的混沌流动。为了研究这种集体现象，我们使用大规模（高达$N=3\times 10^6$）的粒子分辨晶格玻尔兹曼模拟模型microsomymer描述的扩展应力。这样的系统尺寸使我们能够获得定量信息的过渡到活跃的湍流和湍流状态本身的特征。在稀释极限，我们测试分析预测的静态和动态特性对我们的模拟结果。对于较高的游泳者密度，游泳者-游泳者的相互作用变得显着，我们数值计算表明，湍流的长度和时间尺度急剧增加附近的预测有限系统的过渡密度。
2019-08-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Mixing induced by microswimmers as probed by mutual information
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究所）；Department of Mathematics, Kyoto University（京都大学数学系）；Jožef Stefan Institute（约瑟夫·斯特凡研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·皮尔斯理论物理中心）
利用互信息作为全局混合效率度量，通过数值模拟二维squirmer模型，发现游泳者空间分布强烈影响混合，聚集抑制混合而无序增强混合，混合效率随squirmer参数非单调变化，且pusher优于puller。
2026-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phase Separation and Coexistence of Hydrodynamically Interacting Microswimmers
球形微泳者的集体行为的一个显著特征是，对于足够强的自推进，它们相分离成与低密度无序环境共存的密集簇。扩展我们以前的工作，我们使用的蠕动作为一个模型的游泳者和基于粒子的多粒子碰撞动力学模拟方法，探讨流体力学的影响，他们的相行为在准二维几何形状。的粗化动力学的相分离状态是扩散的中间时间制度，然后由最后的弹道致密化的致密集群。我们确定了Péclet数与密度的相图中的双结点线。有趣的是，随着平均密度或致密团簇尺寸的增加，气体双节点会向更小的密度移动，我们使用最近引入的压力平衡来解释[S。C. Takatori等人，物理修订信函113，028103（2014）]通过流体动力学贡献扩展。此外，我们发现，对于推和拉的双节线转移到更大的Péclet数相比，中性蠕动。最后，当降低Péclet数时，致密相从六方“固体”转变为无序的“流体”状态。
2016-10-28 cond-mat.soft
Propulsion of a chiral swimmer in viscoelastic fluids
本研究揭示了手性微游泳体在粘弹性流体中速度提升源于魏森贝格效应，并发现其速度取决于推进者或牵引者类型，同时探究了成对游动体的水动力相互作用。
2024-11-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pseudo-giant number fluctuations and nematic order in microswimmer suspensions
本文通过三维pusher微游泳体悬浮液数值模拟，发现集体运动转变以上出现的超高斯数涨落实为仅存在于向列斑块尺度内的“伪GNFs”，揭示生物活性物质中的增强密度涨落是瞬态效应。
2025-08-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dynamics of microswimmers near a liquid-liquid interface with viscosity difference
本文提出并模拟了黏度不同的液-液界面附近微型游泳者的动力学模型，发现游泳者会系统性地重新定向至低黏度流体区，并观察到悬停等新运动模式。
2022-12-10 cond-mat.soft
Collective dynamics and rheology of confined phoretic suspensions
类似于它们的生物学对应物，化学活性自泳游泳者的悬浮液表现出非平凡的动力学，涉及自组织过程作为粒子间相互作用的结果。使用动力学模型的自趋化Janus颗粒的稀悬浮液，我们分析了这些集体行为和趋化聚集的有效粘度的活性流体的影响的一个封闭的压力驱动流的效果。四个动态制度时，确定增加的强度施加的压力驱动的流，每一个与不同的集体行为产生的竞争流和化学诱导的重新定向的游泳者一起限制。有趣的是，我们观察到，推动器的效果（分别为。拉料器）流体动力学特征，已知这会降低（相应地，增加）剪切悬浮液的有效粘度，在出现自趋化聚集时反转。我们的研究结果提供了新的见解集体动力学在复杂的环境中，这是相关的合成以及生物系统的作用。
2022-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Simulating squirmers with smoothed particle dynamics
本文提出基于光滑粒子动力学（SPD）的 squirmer 模拟方法，通过新边界条件与滑移速度设置，实现对推进型、中性及牵引型微型游泳者的多尺度、多相流模拟与验证。
2024-11-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stability of arrays of bottom-heavy spherical squirmers
微生物在稠密悬浮液中的不断游动运动可以引起引人注目的集体运动和连贯结构。然而，这些结构的理论研究通常利用计算要求高的数值模拟，或简化的连续模型。在这里，我们分析调查的集体动力学的一个密集的阵列稳定，球形蠕动。首先通过求解Stokes方程，将其转化为平均间距与蠕动体半径之比的二阶方程，计算了作用在两个相互靠近的蠕动体上的力和力矩。这种润滑分析，然后用来评估一个密集的，垂直的，平面阵列的相同的三维蠕动的稳定性。均匀间隔，垂直方向的蠕动系统是稳定的，如果所经历的重力扭矩由于底部沉重是足够强的，和细胞间的排斥力。不稳定性和可能的长时间行为的预测是定性相似的单分子层之间的两个平行的刚性平面限制为无约束的单分子层。的预测比较有利与出版的数值模拟，并揭示了存在的额外的动态结构，以前没有观察到的;拉式蠕动显示出更大的范围内的结构比推。成对润滑相互作用的使用提供了一种有效的手段来评估通常使用全数值模拟处理的稠密悬浮液的稳定性。
2019-01-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体（JPs）自推进作为自生的化学梯度的结果，并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内，长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于（i）粒子的自推进速度，（ii）粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和（iii）它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系，我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系，并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析，我们表明，自推进可以诱导波选择机制，某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟，分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明，在粒子密度的规则图案促进化学信号，但防止由极化粒子集体产生的强流体流动，无论其趋化或抗趋化性质（即拉和推游泳）。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Emergent pattern formation of active magnetic suspensions in an external field
我们研究集体自组织的弱磁性主动悬浮液在一个均匀的外场通过分析介观连续模型，我们最近开发的。我们的模型是基于一个Smoluchowski方程的粒子概率密度函数在配向场耦合到一个平均场的描述所产生的活动和对齐扭矩的流量。执行线性稳定性分析的Smoluchowski方程和由此产生的取向矩方程结合非线性3D模拟，我们提供了一个全面的图片的不稳定性模式的活动和磁场的强度的函数。对于足够高的活动和中等的磁场强度，活动诱导的流动和外部磁转矩之间的竞争呈现均匀的极性稳定状态不稳定。结果，出现了四种不同的集体运动动力学模式。推子的不稳定性模式包括由弯扭不稳定性和动力学聚集控制的行波带。对于拉力机，有限尺寸和系统跨越支柱状集中区占主导地位的张开变形出现迁移在场的方向。值得注意的是，在非常强的磁场，我们观察到一个可重入的流体动力学稳定的极性稳定状态。
2020-06-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Molecular dynamics simulations of active Brownian particles in dilute suspension: diffusion in free space and distribution in confinement
在这项工作中，我们报告了一种新的方法来模拟活跃的布朗粒子（ABPs）的分子动力学（MD）模拟。浸入流体中，每个ABP由头部粒子和流体的球形幻影区域组成，微型游泳者的鞭毛在该区域起作用。活性粒子的取向受随机动力学控制，取向持续时间由旋转扩散系数决定。为了流体动力学地驱动作为推动器的活性粒子，一对主动力分别施加在头部粒子和体模流体区域上。沿颗粒取向测量的主动速度与主动力的大小成比例。活性粒子的有效扩散系数是第一次在自由空间测量，显示半定量的协议与分析结果预测的极小模型的ABPs。然后，我们转向约束势中的活性粒子的概率分布。我们发现，随着取向持续时间相对于势阱中的弛豫时间的增加，静止粒子分布经历了从玻尔兹曼型到非玻尔兹曼分布的演变。从固定的分布在限制电位，扩散系数的有效部分进行测量和比较，在自由空间中获得的，显示出良好的半定量协议，而取向的持续时间变化很大，相对于弛豫时间。
2019-02-14 cond-mat.soft nlin.AO
Swarming in viscous fluids: three-dimensional patterns in swimmer- and force-induced flows
California State University, Northridge（北岭加州州立大学）；UCLA（加州大学洛杉矶分校）
研究通过第一性原理推导出粘性流体中自驱粒子群体的三维理论，揭示流体透明度、自驱机制和粒子相互作用对群体行为的影响，发现不同流体中粒子的运动控制方式不同，从而影响群体形态和稳定性。
2016-03-07 cond-mat.soft q-bio.PE
Self-organization of active rod suspensions on fluid membranes and thin viscous films
本文研究活性棒状颗粒在薄流体界面中的自组织，通过矩方程、线性稳定性分析和连续介质模拟，揭示了活性应力类型、Saffman-Delbrück 长度与自推进速度对向列有序化和浓度涨落的影响。
2025-05-10 cond-mat.soft
