Active Brownian motion in a narrow channel
我们回顾了最近的进展，在整流控制的人工microswimmer，也被称为Janus粒子，沿狭窄的，定期波纹通道扩散。游泳者自推进机制建模，以便纳入非零扭矩（推进手性）。我们首先总结了手征性对微泳者在不同几何形状的通道中自由扩散的自主电流的影响。特别是，左右和颠倒的不对称通道显示出不同的传输特性。然后，我们报告的手性microswimmer的通道几何形状和自己的自推进机制的扩散系数的依赖性的新结果。结果表明，自推进扭矩作为运输控制参数起着关键作用。
2014-09-17 cond-mat.soft
Coarse Graining Nonisothermal Microswimmer Suspensions
我们研究了悬浮自热泳微泳者的粗粒度模型。在加热时，Janus球体，与由不同材料制成的半球，诱导非均匀的局部溶剂温度，导致自泳粒子推进。从原子的分子动力学模拟，我们验证了粗粒度的描述流体的局部分子温度场，其作用的粒子的热泳自推进和热布朗运动。后者由有效非平衡温度控制，有效非平衡温度通过限制粒子的位置和取向从模拟中测量。理论上，它们仍然是相关的任何进一步的空间粗粒化对整个悬浮液作为一个均匀的复杂流体的流体动力学描述。
2021-02-19 cond-mat.soft
Load response of shape-changing microswimmers scales with their energy efficiency
作用在微型游泳器上的外力可以反馈到其自推进机制上。我们讨论了这种负载响应的一个通用的microswimmer游泳周期形状的变化。我们表明，在循环频率的变化是成正比的莱特希尔效率的自推进。作为一个具体的例子，我们考虑纳贾尼特的三球游泳者。微型游泳者的力-速度关系意味着对主动和被动运动的形式叠加原理的修正。
2018-04-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Direct Measurement of Lighthill's Energetic Efficiency of a Minimal Magnetic Microswimmer
实现能够在粘性流体中推进的人工微观游泳者是一个具有根本兴趣和广泛技术应用的新兴研究领域。对于某些功能，微型游泳器将通过外部致动提供的输入动力转换为推进动力输出的效率可能是关键的。本文利用自组装铁磁棒和顺磁球组成的微型游泳器，直接测定了它在摆动磁场驱动下的游泳效率。使用快速的视频记录和数值模拟，我们充分表征了螺旋桨的动力学，并确定了两个独立的自由度，使其推进。然后，我们通过测量推进过程中消耗的功率和以相同速度平移螺旋桨所需的能量来实验获得游泳者的莱特希尔能量效率。最后，我们讨论了如何我们的microswimmer的效率可以提高适当的调整不同的实验参数。
2019-10-02 cond-mat.soft
The effect of axisymmetric confinement on propulsion of a three-sphere microswimmer
本研究采用三球微型游泳者模型，通过理论分析与有限元数值模拟，发现在毛细管轴对称限制下，当管径与球径比在 $\mathcal{O}(1)-\mathcal{O}(10)$ 范围时推进速度显著降低，揭示了限制下减弱的流体动力学相互作用对推进的阻碍作用。
2023-07-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic pursuit by cognitive self-steering microswimmers
本文应用squirmer模型研究具有隐式感知机制的微型游泳者追逐者-目标对的流体动力学转向追逐策略，发现通过适应表面流场和速度调节可实现稳定的协作运动状态。
2023-06-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Surfactant-loaded capsules as Marangoni microswimmers at the air-water interface: Symmetry breaking and spontaneous propulsion by surfactant diffusion and advection
我们提出了一种实现的快速界面Marangoni microswimmer的半球形藻酸盐胶囊在空气-水界面，扩散释放水溶性的扩散分子（弱表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）），它作为“燃料”通过调节空气-水界面张力。对于许多不同的燃料，尽管藻酸盐颗粒和发射是各向同性的，但我们可以观察到对称性破缺和自发推进。推进机制类似于肥皂船或樟脑船，然而，它们通常在形状或排放上不对称以选择游泳方向。我们开发了一个理论的Marangoni船推进开始从低雷诺数的表面活性剂的扩散和平流和流体流动，其中包括表面活性剂引起的流体Marangoni流，和表面活性剂吸附在空气-水界面的耦合问题进行分析，我们还包括一个可能的表面活性剂的蒸发。游泳速度由阻力和Marangoni力的平衡决定。我们表明，自发对称性破缺导致推进是可能的临界无量纲表面活性剂的排放率（Peclet数）以上。我们推导出Peclet数和游泳速度之间的关系，并利用努塞尔数的概念推广到更高的雷诺数。该理论解释了所观察到的PEG-海藻酸盐胶囊的游泳速度，我们解开了基于樟脑的其他马兰戈尼船系统的差异，这主要是由表面活性剂从液体-空气界面蒸发引起的。的胶囊马兰戈尼微泳也表现出表面活性剂介导的排斥与墙壁的相互作用，这可以定性地解释在墙上的表面活性剂积累。
2021-04-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A general perturbative approach for bead-based microswimmers reveals rich self-propulsion phenomena
对微型游泳者模型的研究对我们今天对自我推进原理的理解做出了重大贡献。然而，只有少数的microswimmer类型已服从分析建模，并进一步发展这种方法是必要的，以确定这些主动系统的关键特征。在这里，我们提出了一个一般的微扰计算方案的游泳组成的珠子相互作用的谐波势，驱动的任意力协议。水动力相互作用处理使用Oseen和Rotne-Pragner近似。我们验证了我们的方法，通过使用3珠组件和比较的结果与数值获得的运动方程的完全解决方案，以及与现有的分析模型的线性和三角形的游泳者的几何形状。在恢复力和游泳速度之间的关系时，我们的详细分析和受控的近似水平使我们能够在设备的远场流中找到质的差异。因此，我们能够识别出比先前模型中预测的更丰富的游泳者的行为。鉴于其通用性，该框架可以应用于任何游泳者的几何形状，驱动协议和珠子的相互作用，以及在许多游泳者的问题。
2019-07-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shapes enhancing the propulsion of multiflagellated helical microswimmers
在本文中，我们感兴趣的是优化形状的多鞭毛螺旋微泳。模仿螺旋波沿着鞭毛的传播，它们通过旋转尾巴来自我推进。游泳运动员的动力学计算使用边界元法，在开源Matlab库$Gypsilab$中实现。我们利用贝叶斯优化算法，以最大限度地提高游泳者的速度，通过他们的形状优化。我们的结果表明，最佳的尾部形状是具有大波长的螺旋线，这样就可以忽略形状的周期性。此外，当游泳者具有一个或两个鞭毛时，对于细长的头部实现最佳推进速度。令人惊讶的是，当考虑更多的鞭毛时，获得了圆头。研究结果表明，鞭毛的位置和数量改变了推进模式，并在头部的优化设计中起着重要的作用。看来贝叶斯优化是一种很有前途的方法，在微游泳性能的改善。
2021-03-09 cond-mat.soft math.OC physics.comp-ph
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
Biocompatible carbon nitride-based light-driven microswimmer propulsion in biological and ionic media with responsive on-demand drug delivery
我们提出了二维有机聚（庚嗪酰亚胺）（PHI）氮化碳微粒作为光驱动的微游泳者在各种离子和生物介质。他们展示的高速（15-23 $μ$ m/s）游泳在浓度高达1 M的多组分离子溶液中，并且没有专用燃料，这是前所未有的，克服了以前光驱动微型游泳者的瓶颈之一。这种高离子耐受性归因于颗粒的纹理和结构纳米孔隙率与光离子性质之间的有利相互作用，促进了高盐度溶液中的离子相互作用。微泳者的生物相容性通过使用三种不同细胞类型和原代细胞的细胞活力测试来验证。游泳者的纳米孔装载有模型癌症药物多柔比星（DOX），具有高（185%）的装载效率而没有被动释放。据报道，药物控释在不同的pH条件下进行，并且也可以通过照明按需触发。使用PHI的固有的、环境敏感的和光诱导的电荷存储特性，在缺氧条件下证明了DOX及其活性降解产物的光触发的、增强的释放，这可以使未来在缺氧肿瘤区域中的治疗诊断应用成为可能。这些有机PHI微泳者同时解决了当前光驱动微泳者的高离子耐受性，生物介质中的无燃料高速推进，生物相容性和受控按需货物释放的挑战，以实现其生物医学，环境和其他潜在的未来应用。
2021-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Propulsion and far-field hydrodynamics of linked-sphere microswimmers with viscoelastic deformability
Indian Institute of Technology Kanpur（坎普尔印度理工学院）
研究了通过递归驱动的微游泳器动力学，分析了连接球设计的推进性能及远场流体动力学特征，揭示了粘弹性变形对游泳方向和流体特征的影响。
2026-04-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Motion of microswimmers in cylindrical microchannels
提出类似squirmer的模型研究圆柱形微通道中微型游泳者的运动，发现推进力随约束增强而增加，但游泳速度始终低于无约束状态，不同游泳模式对死胡同推进力影响显著。
2023-11-08 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Self-Polarizing Microswimmers in Active Density Waves
人工微泳者响应于激活悬浮介质的时空调制而漂移。我们认为两个竞争机制能够影响其战术反应：角波动，这有助于它探索周围环境，从而更快地扩散到更活跃的地区，和自极化，固有的自我推进机制，这往往会定向游泳者的速度平行或反平行的本地激活梯度。我们调查，无论是数值和分析，这两种机制的联合行动。通过确定它们的相对大小，我们的特征在于选择性运输的人工microswimmer在不均匀的激活介质。
2016-12-30 cond-mat.soft
Giant adsorption of microswimmers: duality of shape asymmetry and wall curvature
本文用哑铃模型研究了微泳者形状不对称对其在封闭通道壁面上吸附能力的影响。对于一个形状极性的向前游泳的圆锥体，像行程平均形状的精子，极长的壁停留时间被发现，所造成的非零分量的推进力指向稳步进入壁，这与自推进速度和形状的不对称性呈指数增长。提出并验证了形状不对称性与壁面曲率之间的直接对偶关系。我们的研究结果是相关的设计microswimmer与控制壁粘附性能。此外，我们证实，在活跃的系统中的压力是强烈敏感的颗粒壁相互作用的细节。
2015-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Magnetically Driven Elastic Microswimmers: Exploiting Hysteretic Collapse for Autonomous Propulsion and Independent Control
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Institut für Physik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg（马格德堡大学物理研究所）
本文提出利用磁驱动弹性微游泳者实现自主推进与独立控制，通过优化几何结构和磁场形状提升推进速度，为微创医疗应用提供新方法。
2026-03-09 cond-mat.soft cs.RO physics.app-ph
Patterned Substrates Unlock Self-Electrophoretic Phenomenon in Active Janus Microswimmers
Istituto di BioRobotica-Scuola Superiore Sant’Anna（机器人研究所圣安娜高等学院）；Wageningen University & Research（瓦赫宁根大学与研究）；Center for Materials Interfaces, Electron Crystallography, Italian Institute of Technology（意大利理工学院材料界面与电子晶体学中心）
本文提出用含球形凹槽的图案化基底制备Janus主动粒子，可调控铂厚度对比度、抑制Pt桥，在2.5% H₂O₂中提升推进效率，间接支持自电泳为主动粒子主要推进机制。
2026-09-04 cond-mat.soft
Theoretical modeling of catalytic self-propulsion
自推进粒子或微型游泳者从基础和实际两个方面开辟了一个新的研究领域。它们是活性物质实验研究中非常方便的模型对象，并在纳米机器人、药物输送等方面具有重要意义。在这里，我们总结了最新进展的理论描述的催化microswimmer，不均匀地释放离子，包括它的物理起源和电流开关的焦点非线性效应，几何调整和更多的自推进。特别是，我们表明，离子的自推进总是包括两个diffusiophoretic和电泳的贡献，和非线性效应是物理原因的一些有趣的现象，如在响应于盐浓度的变化或自推进的电中性粒子的粒子运动的方向的逆转。最后，我们提出了几个剩余的理论挑战，在该领域。
2022-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Physics of Microswimmers - Single Particle Motion and Collective Behavior
微生物在流体中的运动和运输是生命的一个重要方面。寻找食物，对光的定位，后代的传播，以及殖民地的形成，只有通过运动才有可能。在微尺度下的游动发生在低雷诺数下，其中流体摩擦和粘度超过惯性。在这里，进化实现了克服甚至利用阻力的推进机制。突出的推进机制是许多细菌利用的旋转螺旋鞭毛，以及精子和藻类利用的真核鞭毛的蛇状或鞭子状运动。对于人工微泳者，可以采用将化学能或热转换成定向运动的替代概念，这可能更有效。微型游泳者的动力学包括许多方面，这些方面都是实现运动所必需的。在这篇文章中，我们回顾了生物和人工合成的微型游泳者的运动物理，以及它们的集合体的集体行为。从个体微型游泳者出发，我们描述了生物和合成系统的各种推进机制，并解决游泳的流体动力学方面。这包括鞭毛和纤毛的同步和协调跳动。此外，游泳行为旁边的表面进行了检查。最后，讨论了有无水动力相互作用时各向同性和各向异性游泳者的集体和合作现象。
2014-12-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Reconfigurable Artificial Microswimmers with Internal Feedback
通常，人们会提出将100个大小的自推进粒子作为生物微泳者的合成模型，但它们缺乏内部调节的适应性，而这种适应性是生物微泳者自主性的核心。相反，适应性和自主性可以在更大规模的软机器人设备中编码，但将这些能力转移到胶体规模仍然是难以捉摸的。在这里，我们创建了一类新的响应microswimmer，由诱导电荷电泳，它可以通过内部反馈来适应他们的运动外部刺激。使用顺序的毛细管组装，我们制造确定性的胶体集群包括软温敏微粒，其中，在自发重新配置，诱导运动的变化，如适应集群的推进速度和其方向的逆转。我们合理化的自推进和粒子形状和介电性质的变化之间的耦合方面的响应。利用这些允许策略，以实现简单的照明模式的局部动态控制，揭示了新的战术活性材料的发展令人兴奋的机会。
2020-09-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Energetic cost of microswimmer navigation: the role of body shape
该研究通过考虑身体形状，发现微游泳者导航存在推进与导航能耗间的权衡，并推导出最优转向策略，凸显了形状在现实导航中的关键作用。
2023-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Programmable Motion of Optically Gated Electrically Powered Engineered Microswimmer Robots
本文提出一种由电驱动、光控转向的新型微型游泳机器人，通过分离推进与转向机制，在均匀光照下实现了轨迹的动态可编程控制。
2024-09-21 cond-mat.soft physics.app-ph
Stochastic force dynamics of the model microswimmer Chlamydomonas reinhardtii: Active forces and energetics
我们研究了随机力动力学的模型microswimmer（衣原体reinhardtii），使用相结合的实验，理论和数值方法。虽然游泳动力学已被广泛研究，使用流体动力学的方法，推断力的粘性流场，我们直接测量的随机力产生的microswimmer使用光阱通过光子动量法。我们分析的力动力学建模的微型游泳作为一个自推进的粒子，一个la活性物质，并分析它的能量使用随机热力学的方法。我们发现复杂的振荡力动力学和功率耗散的顺序$10^6$ $k_B T / s$（$\sim$ fW）
2021-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Realization of the Najafi-Golestanian microswimmer
一个典型的微型游泳者是三个连接的球体模型，它遵循一个最低限度的推进方法，通过形状变化。因此，它一直是许多分析和数值研究的主题。在这个快速通信中，通过在空气-水界面自组装铁磁颗粒来创建实验性的三连接球体游泳者。它由均匀振荡的磁场提供动力。一个模型，使用两个谐振子，再现实验结果。由于该模型具有通用性，因此可以使用相同的方法来设计各种高效的微型游泳者。
2016-08-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The motion of catalytically active colloids approaching a surface
本研究利用声学镊子将催化活性 Janus 球体从壁面举起，分析其在体相及近壁的运动，发现速度随盐浓度降低主要源于自身推进减弱，并揭示了壁面与颗粒自推进速度间的耦合。
2024-11-18 cond-mat.soft
Getting drowned in a swirl: deformable bead-spring model microswimmers in external flow fields
可变形性是许多类型的微泳者的中心特征，例如对于人工生成的自推进液滴。在这里，我们分析可变形珠弹簧microswimmer在外部施加的溶剂流场作为简单的理论模型系统。我们专注于他们的行为在两个空间维度的圆形旋流。线性（直）两珠游泳者被发现在漩涡周围盘旋，随着活动的增加，轻微地向外侧漂移。与此相反，我们观察到三角形的三珠或正方形的四珠游泳者的趋势，被卷入漩涡，最后被淹死，虽然径向向内的分量在流场中是缺席的。在围绕漩涡的一个周期中，活跃的三角形或正方形游泳者的自推进方向几乎保持不变，而它们的轨道变得变形，呈现出"蛋状“形状。随着时间的推移，漩涡流引起这些游泳者类型的轻微净旋转，这导致蛋形轨道的净旋转。有趣的是，在某些情况下，当游泳者接近流动奇点时，轨道旋转改变了意义。我们的预测可以在真实空间实验中验证人工微泳者。
2015-12-27 cond-mat.soft
Dynamics of a linear magnetic "microswimmer molecule"
与由单个原子组成的纳米级分子类似，我们认为是一种活跃的“微泳分子”。它由三个单独的磁性胶体微游泳者组成，这些微游泳者通过谐波弹簧连接并相互流体动力学地相互作用。在基态，它们形成线性直分子。我们分析了这种直配置的扰动的弛豫动力学。作为一个中心的结果，随着自推进的增加，我们观察到一个振荡的不稳定性符合亚临界Hopf分叉的情况。它伴随着一个螺旋形的半径增加的游泳轨迹。我们的结果可以通过实验来检验，例如使用磁性自推进Janus粒子，假设由DNA分子连接。
2015-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shape-dependent direction reversal in anisotropic catalytic microswimmers
本文通过三维微打印催化活性粒子实验发现，圆盘、圆环和弯曲杆等各向异性微型游泳者会随过氧化氢浓度增加而反转推进方向，该现象源于浓度最大值位置的不稳定性、基底约束及铂催化反应变化。
2025-07-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Power-law intermittency in the gradient-induced self-propulsion of colloidal swimmers
本文研究了活性胶体微型游动者速度轨迹中的幂律间歇性，提出由场梯度依赖的活性力与局部波动流体动力学阻力相互作用的模型，成功描述了交流电场激活和催化游动者系统，并验证了其普遍适用性。
2023-10-26 cond-mat.soft
How walls affect the dynamics of self-phoretic microswimmers
研究了附近平面壁对球形泳动微游泳器表面反应驱动推进的影响。催化剂在其表面上的不对称覆盖，吸收反应物并产生产物，产生各向异性的界面流动，推动游泳者。我们分析了近壁动力学这样一个自泳者作为一个功能的不对称催化覆盖的表面。通过分析的基本奇异性的流量和浓度或静电电势梯度产生的，我们能够获得和合理化的行为作为一个功能的游泳者表面的特性的相图。我们发现了各种可能的行为，从“束缚态”的游泳者仍然靠近墙壁的“散射”或排斥的轨迹，在游泳者结束远离墙壁。一些束缚态的形成是纯粹的壁泳效应，不能通过简单地将泳者映射到流体动力学泳者来获得。
2016-07-29 cond-mat.soft
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
Purely viscous acoustic propulsion of bimetallic rods
合成的微泳者提供了细胞运动的模型，它们的可调性使它们成为生物医学应用的有前途的候选者。在这里，我们测量的声推进的微棒，当被困在一个MHz的声谐振器的节平面，游泳速度高达每秒300微米。虽然过去的声流模型预测的速度比我们的测量值小一个数量级以上，但我们证明了杆的声运动是由粘性的非互易机制驱动的，该机制依赖于类似于游泳细胞所使用的形状各向异性，并且没有可调参数即可重现我们的数据。
2021-09-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimal swimmer can be puller, pusher, or neutral depending on the shape
微型游泳者采用最佳推进策略的能力对于他们在低雷诺数下的运动性能和生存至关重要。虽然对于完美的球形游泳者来说，最小耗散需要中性类型的游泳，但任何偏离球形的形状都可能导致游泳者采用新的推进策略，即拉式或推式游泳。在这项研究中，通过使用最小耗散定理的microswimmers，我们确定的流场的最佳近球形的游泳者，并表明，确实取决于形状的轮廓，最佳的游泳者可以是一个拉，推，或中性。使用渐近方法，我们发现，在形状函数的所有模式中，只有第三个模式决定了最优游泳者的游泳类型。
2021-06-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fission and fusion scenarios for magnetic microswimmer clusters
粒子团簇的裂变和聚变过程发生在物理和化学的许多领域，从亚核到天文尺度。在这里，我们研究裂变和融合的磁性microswimmer集群所管辖的流体动力学和偶极相互作用。丰富的场景被发现，这在很大程度上取决于游泳者是推还是拉。特别是，随着自推进速度的增加，牵引器的线性磁链是稳定的，而推动器链则表现出一连串的裂变（或分解）过程。从理论上讲，任何类型的游泳者的磁环簇都显示出裂变。此外，我们发现了过多的可能的融合（或组装）的情况下，如果一个单一的游泳者碰撞环状集群和两个环自发碰撞。我们的预测是通过计算机模拟得到的，并在活性胶体Janus粒子和趋磁细菌的实验中得到验证。
2016-11-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
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
Photohermal Microswimmer Penetrate Cell Membrane with Cavitation Bubble
本研究利用共聚焦扫描激光操控碳微瓶微游泳器，通过光热空化气泡实现定向推进，并以激光触发爆炸穿透细胞膜，成功完成GPF基因转染。
2024-06-19 cond-mat.soft physics.ao-ph
Tuning the motility and directionality of self-propelled colloids
微生物能够通过收集能量来克服其周围环境的热随机性，以在粘性流体环境中航行。以类似的方式，合成的胶体微泳者能够通过简单的自推进机制模仿复杂的生物运动。虽然在实验上，活性颗粒的速度可以通过例如自生的化学和热梯度来控制，但是游动方向的原位改变仍然是一个挑战。在这项工作中，我们研究了自推进的半涂层球形胶体在临界二元混合物，并表明耦合的局部体力，诱导激光照射，和胶体的润湿性能，可以用来微调胶体的游泳速度和方向性。我们的实验和数值模拟表明，运动的方向可以可逆地切换的大小和形状的液滴（S）周围的胶体成核，这取决于粒子半径和流体的环境温度。此外，上述特征使得能够在光强度梯度中实现负趋光性和正趋光性。我们的研究结果可以扩展到其他类型的半涂层microswimmer，只要他们的两个半球是有选择性的活跃，但具有不同的物理特性。
2017-11-06 cond-mat.soft
Phototaxis of synthetic microswimmers in optical landscapes
许多微生物，以浮游植物和浮游动物为突出的例子，显示趋光行为，即在光梯度内进行定向运动的能力。在这里，我们的实验表明，光梯度的传感也可以实现在一个系统中的合成光活化微粒暴露于一个不均匀的激光场。我们观察到一个强大的定向响应的颗粒，因为diffusiophoretic扭矩，结合强度依赖性的颗粒运动，最终导致趋光性。由于对准力矩在高梯度下饱和，即使在周期性不对称强度景观中也发现了强烈整流的粒子运动。我们的结果是在一个极小模型的数值模拟非常一致，并应同样适用于其他粒子推进机制。因为光场可以在空间和时间上很容易地调整，这也允许将我们的方法扩展到动态环境。
2016-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Can Magnetic Multilayers Propel Artificial Microswimmers Mimicking Sperm Cells?
我们制定和解决的微观人工游泳者的头部和尾部制成的永磁材料的薄膜的动力学方程。这是由Dreyfus等人在2005年提出的模型游泳者的变体，其尾巴是由超顺磁珠组装而成的细丝。游泳器由振荡的磁场驱动，其几何形状受到精子细胞的启发。使用的几何和材料参数，是现实的磁性多层的值，我们表明，模型游泳者可以达到游泳速度超过每秒一个身体长度，在合理的值的驱动磁场。这为这一概念的可行性提供了原则证明。此外，我们还讨论了沿弯曲路径引导系统的可能性。最后，我们比较了我们的游泳者与精子细胞的推进机制（游泳步态）。两者之间的主要区别在于，与其生物模板相反，我们的人工系统不依赖于弯曲波沿尾巴的传播，至少对于本文中探索的材料和几何参数范围而言。
2017-02-14 cond-mat.soft math.OC
Amoeboid propulsion of active solid bodies, vesicles and droplets: a comparison
本研究统一分析由周期性轴对称非手性形变驱动的可变形固体、囊泡和液滴三种微泳体，通过二阶微扰展开计算其泳动性能并比较，揭示不同泳体在最优冲程和相同冲程下的速度、效率差异及排名规律。
2025-02-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Analysis of a model microswimmer with applications to blebbing cells and mini-robots
最近的研究表明，运动细胞可以根据它们所处的环境来调整它们的推进模式。一种模式是通过气泡或其他形状变化游泳，在本文中，我们分析了一类模型的气泡和纳米机器人在粘性流体中在低雷诺数的细胞运动。在个体水平上，形状变化包括连接的球体之间的体积交换，可以控制它们的分离，这是足够简单的，可以获得重要的分析结果。我们的目标是了解如何移动的效率取决于振幅和周期的体积交换时，球体接近接近在一个周期。以前的分析是预测广泛的分离，我们表明，速度增加-increases显着的分离减少，由于强烈的流体动力学相互作用的球体之间的密切联系。扇贝定理断言，至少需要两个自由度，以产生净运动的形状变化的周期序列，我们表明，这些程度可以驻留在不同的游泳者的集体运动进行了研究。我们还表明，模式共享的不同组合会导致游泳运动员的翻译和表现的显着差异。
2016-10-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn q-bio.CB
Magnetically actuated artificial microswimmers as mobile microparticle manipulators
Clemson University（克莱姆森大学）
微型游泳机器人已经被设想用于许多医疗应用，例如靶向药物递送，其中微型机器人将被期望通过携带有效载荷的通道在流体中导航。或者，在许多情况下，这种有效载荷不必物理地绑定到游泳者，而是可以由微型机器人操纵和引导通过通道。我们研究这个问题的非接触操作的微粒在低雷诺数的流体中的移动microswimmer。我们考虑一个模型的磁驱动的人工microswimmer，其运动通过流体中诱导的扰动速度场的流体，然后采取行动，推动货物颗粒在其附近。因此，本文研究的问题是一个耦合运动操纵的两个机构在流体中。磁性游泳者的运动是由外部施加的恒定强度的磁场驱动的，但其方向在平面内以恒定速率旋转。如果与周期性磁场相关的频率高于临界频率，则游泳者在垂直于该平面的方向上推进自身。低于这个临界频率，游泳者在没有网运动的情况下翻滚。采用Stokesian动力学方法对流体-游动体-货物质点耦合动力学进行了数值求解。货物粒子的诱导运动是可控的。这是通过切换磁场的旋转平面以及切换高于和低于临界频率的磁场的频率来实现的。虽然一个游泳运动员具有特定的几何形状已被用于模型中，本文的结果是适用于游泳运动员与其他几何形状和推进手段。本文的研究结果表明，微泳者可以利用作为移动机械手的微粒在流体中。
2019-09-06 cond-mat.soft cs.RO physics.flu-dyn
Dynamic control of speed and trajectories of active droplets in a nematic environment by electric field and focused laser beam
活性物质科学的一个目标是揭示混沌微尺度动力学可以转化为有用的工作的原则。一个可调的液晶环境提供了许多可能性，其中之一是一个充满了游泳细菌水分散体的活性液滴的定向运动。在这项工作中，使用的响应性的电场和光，我们演示了如何控制的方向和速度的活性液滴。介电响应的电场导致两个效果：（i）重新定向的整体指向矢，和（ii）改变周围的液滴的指向矢配置的对称性。第一个效果改变了推进方向，而第二个效果改变了速度。指向液滴附近的激光束可以通过在偶极和四极配置之间切换来触发围绕液滴的所需指向矢对称性，从而影响推进的运动性和极性。主动液滴的方向和速度的动态调整代表了可控微泳者发展的一个进步。
2021-10-31 cond-mat.soft
Optimal Actuation of Flagellar Magnetic Micro-Swimmers
我们提出了一个自动化的程序设计的最佳驱动的鞭毛磁微泳基于数值优化。使用该方法，提供了一种新的磁致动方法，其允许这些装置与通常的正弦致动相比显著更快地游动。这导致了一种新的游泳策略，使游泳者执行3D数字8轨迹。这表明，当允许游泳者离开平面时，可以获得更快的推进力。实验验证了这种方法的放大灵活的游泳者。
2019-11-07 cond-mat.soft 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
Using Shape Diversity on the way to new Structure-Function Designs for Magnetic Micropropellers
近年来，在微尺度上模仿生物运动的合成微游泳者已经被开发出来。利用均匀旋转磁场致动螺旋磁性材料是微尺度推进的最广泛的技术之一，部分原因是致动策略围绕致动场频率和螺旋桨速度之间的简单线性关系。然而，完全控制游泳运动员的运动仍然是一个挑战。提高微螺旋桨的可控性对于实现复杂的致动方案至关重要，而复杂的致动方案又与许多应用直接相关。然而，线性关系的简单性限制了群体控制的可能性和灵活性。使用一个池的随机形状的磁性microswimmer，我们表明，形状的复杂性可以有利地转化为增强控制。特别地，通过致动场的频率来控制分选的微螺旋桨的方向反转。这种方向性变化与磁力和流体动力之间的平衡有关。我们进一步展示了一个例子，这种行为可以实验导致简单而有效的排序的个人游泳者从一组。这些螺旋桨仅通过频率来反转游泳方向的能力增加了控制可能性，并且是螺旋桨设计的示例，其中许多应用所需的复杂性直接嵌入螺旋桨几何形状中，而不是诸如致动序列的外部因素。
2018-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Drift-diffusion interplay in active Brownian particles under orienting field
University of Vienna（维也纳大学）；Università di Padova（帕多瓦大学）；Max Planck Institute of Microstructure Physics（马克斯·普朗克微观结构物理研究所）；Wrocław University of Science and Technology（弗罗茨瓦夫科技大学）；Akhiezer Institute for Theoretical Physics National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”（阿赫梅泽尔理论物理研究所 国家科学中心“哈尔科夫物理技术研究院”）
提出磁场下三维活性布朗运动理论框架，揭示长时增强扩散与永久漂移，以及中间时标的非高斯位移统计，为优化搜索和靶向输运提供指导。
2026-07-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Lattice Boltzmann Model for Squirmers
蠕动体是一种简单而有指导意义的微型游泳者模型，它采用球形游泳者表面的有效滑动速度来描述其自推进。我们用格子Boltzmann（LB）方法解决流体动力学问题，该方法非常适合于涉及复杂边界条件的时间依赖性问题。将蠕动体转化为LB是相对直接的，但是需要出乎意料的精细网格分辨率来准确地捕获物理流场和行为。我们证明了这一点，使用四个基本的流体动力学测试：两个远场流-准确的流体动力学力矩和蠕动蠕动的相互作用-和两个需要近场准确地解决-一个蠕动局限于一个管和一个散射的球形障碍物-LB是能够做到的网格分辨率。我们发现很好的协议（数值）使用其他流体动力学求解器在相同的几何形状得到的结果，并确定一个最低要求的分辨率，以实现这一再现。我们讨论了我们的算法的背景下，其他流体动力学求解器，并提出了其应用前景多蠕动问题。
2019-03-31 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
