Cargo Towing by Artificial Swimmers
主动游泳者可以通过将被动货物结合形成自我推进的二聚体来拖曳被动货物。货物相对于活性二聚体头部的轴的取向由与后者的推进机制相关联的流体动力学相互作用确定。我们展示了如何塔货物角配置极大地影响二聚体的扩散率，因此，作为一个微型拖曳电机的有效游泳者的效率。
2016-11-17 cond-mat.soft
Active transport of a passive colloid in a bath of run-and-tumble particles
该研究通过随机模拟和渐近理论分析被动胶体在run-and-tumble微游泳者浴中的输运，提出半解析模型，发现低密度、低迁移率比和高活性下理论与模拟定量一致。
2024-03-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Trajectory Generation for Millimeter Scale Ferromagnetic Swimmers: Theory and Experiments
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Rose-Hulman Institute of Technology（罗斯-霍曼理工学院）
本文研究了毫米级铁磁游泳体的轨迹生成，通过几何力学工具设计控制规律，并通过实验验证了在铁磁丝上编码内部磁化分布的方法，实现了游泳体的平移、轨迹跟踪和原地转向运动。
2018-10-26 cond-mat.soft cs.SY eess.SY
Following fluctuating signs: anomalous active superdiffusion of swimmers in anisotropic media
主动（即，自推进的或游动的）移动通过各向同性流体的颗粒表现出常规的扩散行为。我们报告了一个活跃的粒子在各向异性，散射背景中移动的异常扩散。虽然平行于平行指向矢的平移运动显示出弹道行为，但长时间横向运动是超扩散的，具有均方位移随时间的异常缩放$\propto t \ln t$ $t$。这种行为是预测的分析理论，我们在这里提出的，并证实了在一个简单的晶格模型中的活性粒子扩散的数值模拟的液晶。它对于任何自推进元件的集合都是通用的（例如，细菌或活性杆）在水背景中移动，只要游泳者被充分稀释，使得它们彼此之间的相互作用可以被忽略，并且它们不执行“发夹”转弯。
2016-03-02 cond-mat.soft
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
Active particles in periodic lattices
自然和人工的小规模游泳者通常可以在受到复杂几何约束的环境中自推进。虽然过去大多数关于低雷诺数运动的理论工作都是针对理想化的几何情况，但对游泳者在异质环境中的运动知之甚少。作为第一个理论模型，我们调查数值的行为，一个单一的球形微型游泳者位于一个无限的，周期性的体心立方晶格组成的刚性惰性球体的大小相同的游泳者。运行大量的模拟，我们发现可能的轨迹作为一个功能的游泳驱动的强度和晶格的堆积密度的相图。然后，我们使用流体动力学理论来合理化我们的计算结果，并特别显示如何远场性质的游泳者（推与拉）甚至在高体积分数的行为。
2017-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Polar swimmers induce several phases in active nematics
在被动向列相中以溶致液晶形式游动的细菌是近年来研究中发现的一类新的活性物质，称为活液晶。还表明，液晶溶液是捕获和检测细菌的有希望的候选物。我们提出这样一个问题，是否可以为同样活跃的背景向列相设计类似的物质？因此，我们发展了一个极小模型的极性粒子的混合物中的活性向列相。结果发现，在这样的混合物中的活性向列相是高度敏感的极性粒子的存在下，并显示出形成大规模的更高的顺序结构的极性粒子密度相对较低。随着极性粒子密度的增加，发现了不同相的活性向列相，并观察到该系统表现出两个相变。第一个相变是从准长程有序的活性向列相到具有较大尺度结构的无序活性向列相的一级相变。当极性粒子的密度进一步增加时，系统过渡到第三阶段，其中极性粒子形成大的、相互对齐的簇。这些簇扫过整个系统，并在向列体中执行局部秩序。目前的研究可以帮助检测极低密度的极地游泳者在主动向线动物的存在，并可用于设计和控制主动向线动物的不同结构。
2021-08-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The self-propelled Brownian spinning top: dynamics of a biaxial swimmer at low Reynolds numbers
最近，自推进（主动）棒状颗粒的布朗动力学被探索用于模拟胶体微游泳者、催化驱动的纳米棒和细菌的运动。在这里，我们将这种描述推广到具有任意形状的双轴粒子，并推导出相应的朗之万方程的自推进布朗自旋陀螺。双轴游泳者暴露于低雷诺数下的流体动力斯托克斯摩擦力、波动的随机力和扭矩以及外部和内部（有效）力和扭矩。后者控制着它的自我推进。由于双轴性和流体动力学的旋扭耦合，朗之万方程只能数值求解。在特殊情况下的正交各向异性粒子在没有外力和扭矩，无噪声（零温度）的轨迹被解析地发现是一个圆形螺旋线。在一般情况下，在简单的周期性运动结束之前，涉及瞬态不规则运动，这种轨迹在数值上被证实是更复杂的。相比之下，如果外力消失，则没有发现瞬态状态，并且粒子在超螺旋轨道上移动。对于正交各向异性粒子，噪声平均轨迹是广义贝壳螺旋。我们还研究了减少模型的两个空间维度和分类的无噪声轨迹完全找到圆，直线和不瞬变，以及摆线和任意周期性的轨迹。
2011-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.class-ph
Active colloids in complex fluids
我们回顾了最近的工作，积极的胶体或游泳者，如自我推进的微生物，泳动胶体颗粒，和人工微机器人系统，在流体般的环境中移动。这些环境可以是水状的和牛顿的，但通常可以包含大分子、柔性聚合物、软细胞或硬颗粒，其赋予流体复杂的非线性流变特征。虽然在了解活性胶体如何在牛顿流体中移动和相互作用方面取得了重大进展，但对活性胶体在复杂和非牛顿流体中的行为知之甚少。一个新兴的文献开始显示如何流体流变学可以显着改变个人游泳者的步态和速度。同时，运动的游泳者诱导时间依赖性的三维流体流动，其可以改变介质（流体）流变性质。这种双向的，非线性耦合在微观尺度上有着深远的影响，在中观和宏观尺度：稳态悬浮特性，紧急集体行为，和被动示踪粒子的运输。最近令人兴奋的理论结果和当前关于量化这些复杂的活性流体的争论突出了概念上简单的实验来指导我们理解的必要性。
2016-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
From hydrodynamic lubrication to many-body interactions in dense suspensions of active swimmers
我们研究了流体动力学相互作用如何影响高浓度悬浮在流体中的活性颗粒的集体行为，特别注意当颗粒彼此非常接近时出现的润滑力。我们精确计算两个球形（圆形）的积极游泳者之间的水动力相互作用的限制行为，在一般设置中，在三个和（两个）维非常接近。结合远场相互作用，我们开发了一种新的数值方案，使我们能够研究大量的活性粒子的集体行为与精确的流体动力学相互作用时，彼此接近。我们研究积极游泳运动员的内在流场的特点是力偶极子和四极。使用这个方案，我们能够表明，润滑力时，颗粒非常接近对方可以发挥重要的作用，作为远程流体动力学相互作用，在确定他们的多体行为。我们发现，当游泳者力偶极子是大的，有限的集群和开放的凝胶状集群出现，而不是完全的相分离。这种抑制是由于近场润滑相互作用。对于小力偶极子的游泳者，我们惊讶地发现，出现了一个全球性的极性有序相，因为近场润滑，而不是远程流体力学主导的对齐机制。极序是目前非常大的系统尺寸和稳定的波动与有限的噪声幅度。我们用一个极小模型解释了极序的出现，在这个模型中只考虑了近场相互作用的主导转动效应。这些现象也在两个维度上重现。
2018-05-26 cond-mat.soft
Dynamical response of a system of passive or active swimmers to time-periodic forcing
各种生物和人工系统中存在的主动力可能会改变这些系统在强迫下的行为。我们提出了一个极小模型暂停被动或主动游泳者驱动的边界上的时间依赖强迫。特别是，我们考虑一个时间周期驱动器，我们确定的线性响应函数的悬浮液。这些响应函数的含义被解释为通过系统内的粒子的能量的存储和耗散。我们发现，虽然一个缓慢驱动的主动系统响应的方式类似于一个被动系统与重新定义的扩散常数，一个快速驱动的主动系统表现出一种新的行为有关的变化，由于外部驱动器的马达活动的颗粒。
2018-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active dipolar spheroids in shear flow and transverse field: Population splitting, cross-stream migration and orientational pinning
我们研究的稳态行为的活性，偶极，布朗椭球体在一个平面通道进行强加的库埃特流和外部横向场，施加在“向下”的正常流动方向。通过假设活动球体（游泳者）具有指向其自推进（游泳）方向的永磁偶极矩，将其上的场致扭矩视为磁性形式。使用一个连续的方法，我们表明，主机的行为出现在参数空间跨越的粒子的纵横比，自推进和剪切/场强度，和通道宽度。跨流迁移的模型游泳者被证明涉及一个政权的线性响应（量化的线性响应因子）在弱场。对于长形游泳者，弱场行为跨越到一个政权的充分游泳迁移到下半部分的渠道在强场。对于扁圆形的游泳者，一个违反直觉的制度，反向迁移出现在中间领域，其中一个宏观部分的游泳者重新定向和游泳的顶部通道的一半，在一个尖锐的“向上”的角度相对于场轴。这里报道的不同行为进行了分析的基础上剪切诱导的人口分裂（双峰）的游泳方向，给两个不同的，相反的极化，游泳亚群（虽然非常不同的扁长/扁圆游泳者）在每个通道的一半。在强磁场中，这两种类型的游泳者都表现出相对于实验室框架的净上游流。完全迁移和净上游电流的开始取决于纵横比，从而实现微流体设置中的有效颗粒分离策略。
2021-08-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Lateral contact yields longitudinal cohesion in active undulatory systems
许多动物和机器人利用它们身体的波动运动来移动。当在近距离波动运动可以导致新的集体行为，如步态同步，空间重构，聚类。在这里，我们研究模型波动游泳者之间的接触相互作用的作用：三连杆机器人在实验和多连杆机器人在仿真。每个游泳者的波动步态通过具有固定相位偏移$ϕ$的时间依赖性正弦波形产生。通过改变相邻游泳者之间的相位关系，我们试图研究如何接触力和空间配置是由相邻游泳者之间的相位差。我们发现，波动驱动在接近驱动相邻的游泳者进入空间平衡配置，取决于驱动相位差。我们提出了一个最近邻波动游泳者的空间平衡模型，我们称之为步态兼容性条件，这是一组空间和步态配置中没有发生碰撞。两个，三个和四个游泳者的机器人实验表现出良好的一致性与兼容性模型。为了探测波动游泳者之间的相互作用潜力，我们从他们的平衡配置纵向扰动每个，我们测量他们的稳态位移。这些研究表明，波动的游泳者在密切的接近表现出凝聚力的纵向相互作用力，驱动游泳者从不兼容兼容的配置。这个波动游泳者的系统提供了新的见解，通过身体波动移动的活性物质系统。除了在活性物质群的速度和方向的相干性的重要性，我们表明，波动相位相干性也是重要的生成稳定的，有凝聚力的组配置。
2021-06-11 cond-mat.soft nlin.AO
Hydrodynamic Swarming of Thermally Active Dimeric Colloids
自推进泳动胶体最近出现了作为一个有前途的途径设计的人工游泳者。这些游泳运动员将纯粹的泳动相互作用与复杂的流体动力学结合起来，流体动力学严重依赖于游泳运动员的形状。本文采用流体力学模拟的方法研究了憎热二聚体胶体的单粒子运动及其集体行为。电泳排斥和流体动力学的横向吸引相结合，有利于形成平面运动的集群。因此，所得到的扁平群中的流体动力学组件对这些二聚活性胶体非常特异。
2017-01-24 cond-mat.soft
Activity-induced clustering in model dumbbell swimmers: The role of hydrodynamic interactions
使用流体-粒子动力学方法，我们数值研究了流体动力学相互作用对细菌运动的简单模型内的活性悬浮液的集体动力学的影响：每个微生物被建模为具有规定的偶极力对的行程平均哑铃游泳者。使用模拟和定性的参数，我们表明，当游泳者之间的分离是他们的大小相媲美，游泳者的运动受到强烈影响的活动引起的水动力。为了进一步了解这些影响，我们调查半稀释悬浮液的游泳运动员在热波动的存在。有和没有流体动力学相互作用的模拟之间的直接比较表明，这些以提高在一个相对较小的体积分数的动态聚类，与我们选择的模型，这种聚类行为的关键成分是流体动力学捕获的一个游泳者由另一个，引起的主动力。此外，密度依赖性的运动（平移和旋转运动）表现出明显不同的行为，有和没有流体动力学相互作用，我们认为，这是与集群的趋势。我们的研究说明了这样一个事实，即流体动力学相互作用不仅影响动力学途径的主动悬浮液，但也会导致其稳态性能的重大变化。
2014-08-06 cond-mat.soft
Marangoni swimmer pushing particle raft under 1D confinement
本文通过环形通道实验研究Marangoni游动体与被动玻璃微球颗粒筏的相互作用，发现低填充率下单向稳态和高填充率下振荡状态，并用简化力平衡模型解释了游动体速度随填充率增加而降低的趋势。
2025-08-21 cond-mat.soft
Analytical approach to chiral active systems: suppressed phase separation of interacting Brownian circle swimmers
通过研究具有球形布朗环的平面相互作用系统的相行为，我们考虑了主动系统中的手征性。继续在[G.- J. Liao，S. H. L. Klapp，软物质，2018，14，7873-7882]，我们导出了一个预测性的场论，它能够描述圆形游泳者的集体动力学。该理论产生了一个映射之间的圆游泳者和noncirculating活性布朗粒子，并预测粒子的角推进导致抑制其运动诱导的相分离，与以前的模拟结果一致。此外，该理论提供了相应的运动引起的相分离的发病和相关的临界点，以及它们的依赖于角推进的圆游泳者的旋节的解析表达式。我们证实了我们的研究结果的布朗动力学模拟和分析的集体动力学使用加权图论网络。理论和仿真结果之间的协议被发现是好的。
2020-10-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Permeation dynamics of active swimmers through anisotropic porous walls
本研究以衣藻为模型，通过微迷宫实验揭示柱状障碍物的形状和取向各向异性在不同时间尺度上显著影响活性游泳体的渗透动力学，并探讨隔室间的交换动力学。
2023-06-22 cond-mat.soft
Shear-induced bimodality and stability analysis of chiral spheroidal swimmers
本文研究了平面通道中受Poietille流（压力驱动）作用的手征（圆泳）和非手征泳者的剪切诱导行为。游泳者被建模为主动的布朗球体，以固定的速度自推进，沿着对称轴指向。我们认为这两种情况下的扁长和扁圆的游泳者，并主要集中在游泳者，拥有一个内在的，或主动的，逆时针角速度，除了剪切引起的角速度，他们获得的通道内流（杰弗里轨道）。概率的结果是建立使用Smoluchowski方程内的位置取向相空间，数值求解。我们发现，剪切和手性诱导的角速度之间的相互作用，结合由于粒子自推进和空间粒子壁相互作用的影响，导致一个有趣的范围内的效果，包括钉扎，偏心和近壁积累的游泳者在通道内。这进一步伴随着游泳运动员的线性稳定性分析，用于解释概率结果。我们讨论了定性差异的概率结果，出现由于不同制度的旋转动力学的游泳者在通道流，特别是剪切捕获/逃逸的扁长/扁圆形的游泳者和不同的纬度与每个游泳者的形状相关的固定点。我们的研究结果指出，可能的机制，流动驱动分离的活性球状粒子的手征强度的基础上。
2023-02-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Active temperature and velocity correlations produced by a swimmer suspension
本文研究了低雷诺数极限下微泳者悬浮液在流体中产生的搅动。在这个极限下，游泳者被建模为具有相等强度的力偶极子。搅拌的特点是定义的活性温度，在动力学理论中，作为均方速度，并通过等时间的空间相关性。考虑游泳者均匀各向同性分布在流体中的阶段，它示出的主动温度和速度的相关依赖于一个单一的标量关联函数的偶极-偶极关联函数。通过建立一个简单的中程有序模型，其中偶极-偶极关联函数由单个相关长度$k_0^{-1}$表征，可以进行定量预测。研究发现，激活温度依赖于系统的尺寸，在大的关联长度$L\ll k_0^{-1}$下，激活温度与$L^{4-d}$成比例关系，而在相反的极限下，激活温度在三维中饱和，在二维中随系统尺寸发散。在三维空间中，对于小的相关长度，速度相关随$1/r$衰减，而对于大的相关长度，横向关联函数在最大分离$r\sim L/2$处变为负值，这种效应随着系统尺寸的增加而消失。
2013-05-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Phase Behavior of Active Swimmers in Depletants: Molecular Dynamics and Integral Equation Theory
我们研究了二元混合物的结构和相行为，其中一个组分是自推进的性质。系统中的颗粒间相互作用取自Asakura-Oosawa模型，用于胶体-聚合物混合物，其相图已知。在目前的模型版本中，胶体粒子是使用Vicsek模型的自推进粒子来激活的。用分子动力学方法和积分方程理论对所得活性体系进行了研究。这两种方法产生的结果彼此一致，并表明基于Vicsek模型的活动促进相分离，从而扩大了共存区域。
2014-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Shape dependent phoretic propulsion of slender active particles
本文从理论上研究了雷诺数为零时，薄（细）胶体在表面不对称化学反应驱动下的自推进问题。利用匹配渐近展开法，得到了胶体自推进速度与其形状和表面物理化学性质的函数关系。杆状游泳者的自泳力学比球形游泳者具有更丰富的行为谱，这是由于存在两个小的长度尺度，即杆的细长度和滑动层的宽度。这就导致了在考虑细长消失的极限时的微妙之处。因此，即使对于非常细的杆，沿着游泳者的表面的曲率分布，即其形状，在确定推进效率方面起着令人惊讶的作用。我们发现，薄圆柱形的自泳游泳运动员钝端移动速度比薄长椭球形的游泳运动员具有相同的长宽比。
2017-11-16 cond-mat.soft
Swimmer-Types of Optimum Surface-Driven Active Particles
本研究利用最小耗散定理数值探究最优表面驱动活性微游动者的类型，发现前后对称的微游动者呈中性型行为，非对称结构的类型则取决于主导变形模式及应力元的非线性依赖关系。
2024-10-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Free chiral self-propelled robots compared to active Brownian circle swimmers
Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学理论物理研究所）；The Raymond and Beverley School of Chemistry, Tel Aviv University（特拉维夫大学雷蒙德和贝弗利化学学院）
研究通过视频追踪分析自由手性六边形机器人运动，对比理论预测，发现其位移和散射函数与ABC模型一致，但短时间行为存在偏差，表明过阻尼兰格汉斯方程模型在低翻译噪声下有效。
2026-04-07 cond-mat.soft
Ornstein-Uhlenbeck information swimmers with external and internal feedback controls
基于欠阻尼主动 Ornstein-Uhlenbeck 粒子，提出了具有外部和内部反馈控制的信息游泳者模型，发现两者在噪声环境中均可获得有限平均速度，且内部控制模型在主动涨落较大时表现更优。
2025-04-07 cond-mat.soft
Universal Poisson statistics of a passive tracer diffusing in dilute active suspensions
本研究从第一性原理出发，通过微扰展开推导稀活性悬浮液中被动示踪粒子的统计特性，证明一阶密度下其服从空间Poisson过程，将多体动力学简化为两体相互作用，并解析解释了有色Poisson过程的起源。
2022-06-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Simultaneous Phase Separation and Pattern Formation in Chiral Active Mixtures
手性活性颗粒，或自推进的圆形游泳者，从精子细胞到不对称的Janus胶体，形成了一组丰富的模式，这与线性游泳者中看到的模式不同。这种模式主要是针对相同的圆形游泳者进行探索的，而现实世界的圆形游泳者通常具有频率分布。在这里，我们表明，即使是最简单的混合物（速度对齐）圈游泳者与两个不同的频率，主机一个复杂的世界的上层结构：最显着的例子包括一个microflock模式，形成一个物种，而其他物种相分离，形成一个macrocluster，与气相共存。在这里，一个物种的微相分离和选择的特征长度尺度，而另一个宏相分离和选择的密度。第二个值得注意的例子，在此出现在各向同性系统中，是包括两个不同特征长度尺度的图案，其可通过单个颗粒的频率和游动速度来控制。
2019-01-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Hydrodynamic interactions dominate the structure of active swimmers' pair distribution functions
由于其动力学的非平衡性质，微泳者经常表现出令人惊讶的模式。总的来说，微型游泳者的悬浮液看起来像一种液体，其性质使其与被动的对应物区分开来。为了了解流体动力相互作用的影响的基本统计特征的microswimmer的液体，我们调查其结构的对分布函数的装置。我们进行基于粒子的模拟，包括空间效应，形状各向异性和流体动力学相互作用的microswimmer。我们发现，流体动力学相互作用大大改变了方向相关的对分布函数相比，纯粹的排斥体积模型，如活性布朗粒子，并普遍降低了液体的结构。耗尽区占主导地位，在较低的填充分数，而在较大的填充分数的microswimmer液体开发一个更强的第一壳的邻居在特定的方向，而失去结构在更大的距离。我们的工作是第一步的统计力学处理的结构的microswimmer悬浮液。
2018-12-17 cond-mat.soft
Is the active suspension in a complex viscoelastic fluid more chaotic or more ordered?
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）
研究发现，在复杂粘弹性流体中，聚合物通过增强游动者极化和方向有序性，促进主动悬浮体的有序性。
2025-12-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Macro to micro phase separation in a collection of chiral active swimmers
我们研究了一个收集的手性活性粒子（CAP）的二维基板上使用广泛的数值研究。粒子通过软排斥相互作用相互作用。通过改变粒子的自推进速度和角速度来调节粒子的活性和手性。研究了不同手性和活性的粒子的动力学和稳态性质。体系在活度和手性平面上的相图显示出三个不同的相。对于小的手性时，活动是占主导地位的，粒子表现出增强的动力学和宏观相分离的有序集群观察。对于中等手性，观察到微簇相，其中形成具有中等有序性的小簇。对于大的手征，当手征占主导地位，没有发现集群，因为粒子运动主要局限于它的位置。我们的研究提供了一个详细的洞察手性对CAP的收集性能的影响，这可能是有用的了解许多天然的微型游泳者的动力学和稳态。
2022-08-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Influence of thermal fluctuations on active diffusion at large Péclet numbers
小波蒙特卡罗动力学模拟被用来研究被动粒子的动力学在存在的microswimmer，考虑到经常被忽略的热运动旁边的水动力学流动所产生的游泳者。虽然考虑的Péclet数很大，我们发现热运动对我们的被动粒子的动力学有显着的影响，并且可以作为一个去相关因子包括在速度自相关与Péclet数成比例的衰减时间。类似的去相关因子来自游泳者旋转，例如~运行和翻滚运动，并适用于夹带和远场回路的贡献。这些去相关因子导致活性扩散率具有接近于$Pe^{0.2}$的弱表观幂律，对于小的示踪剂样颗粒，在适合于E的Péclet数下。大肠杆菌在室温下游动。同时，大颗粒对附近力的降低的流体动力学响应在该区域中具有相应的主动扩散率降低。总之，它们导致主动扩散率对颗粒尺寸的非单调依赖性，这可以揭示Patteson等人在实验中观察到的类似行为。
2021-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-generated gradients stabilize the hydrodynamic instabilities in active suspensions
在极地游泳者的主动悬浮液中出现的有序相处于长波流体动力学介导的不稳定性下。在这封信中，我们表明，溶解在水悬浮液中的化学分子，作为大多数湿活性系统的不可避免的一部分，可以介导长程相互作用，随后稳定有序相。活悬浮液中的化学引诱剂和在合成Janus悬浮液中产生泳动力的溶解分子使人联想到这样的分子。游泳者之间通过个体游泳者产生的这种化学物质的梯度进行的交流是这种稳定机制的基础。为了对这种主动系统的稳定状态进行分类，我们研究了两类具有动量守恒和非守恒动力学的系统的详细相图。我们的线性稳定性分析显示了稳定机制如何适用于具有不同动力学特性的游泳运动员，例如，推动器或拉动器，并且具有各种静态特性，例如，球形、扁球形或长球形几何形状。
2018-07-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Swimmer suspensions on substrates: anomalous stability and long-range order
我们提出了一个全面的理论的动力学和波动的二维悬浮的极性活性粒子在不可压缩流体局限于基板。我们表明，依赖于一个单一的参数的符号，一个状态与极性取向顺序是非常稳定的（或非常不稳定），与非零的松弛（或增长）率为零波数的角波动。这种在稳定状态下对对称性破缺模式的屏蔽确实会导致常规的而不是Bricard等人所认为的巨大的数字波动，Nature ${\bf 503}$，95（2013），但是它们在展曲稳定的群中的弯曲不稳定性不存在，并且极性相在二维中具有长程序。我们的理论也描述了受限的三维薄膜悬浮液的活性极性粒子以及致密的可压缩的活性极棒，并预测了一个植绒过渡没有带状不稳定性
2019-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamics of confined active fluids
我们从理论上描述了限制在薄液膜中的游动种群的动力学。我们首先证明了封闭游泳者之间的流体动力学相互作用仅取决于它们的形状，并且独立于它们特定的游泳机制。我们还表明，由于与墙壁的摩擦，限制游泳者不重新定向，由于流动梯度，但流场本身。然后，我们量化的后果，这些微观的相互作用规则的大规模流体力学的各向同性人口。我们详细研究了它们的稳定性和由此产生的相行为，突出了与传统的主动，三维悬浮液的差异。两类极地游泳者根据其几何极性而被区分。第一类产生的相干定向运动在所有尺度，而对于第二类，我们预测自发形成的相干集群（群）。
2012-08-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Long-time anomalous swimmer diffusion in smectic liquid crystals
活性粒子在取向或液晶流体中的自运动动力学与简单各向同性介质中的自运动动力学有很大的不同。我们研究了三维近晶相液晶中运动的游泳者的长时间动力学，发现在长时间内，横向于指向矢的均方位移（MSD）呈现出明显的对数尾。标度是明显不同的，在各向同性或无规流体，并暗示在微妙的，但重要的作用，董事波动频谱在管理的长期运动的活性粒子。我们的研究结果是基于一个通用的流体力学理论和布朗动力学计算机模拟的三维软介晶模型。
2018-05-17 cond-mat.soft
Pair Dispersion in Dilute Suspension of Active Swimmers
生物和人工微泳者的集合产生具有强烈非平衡波动的长程速度场，这导致嵌入颗粒（示踪剂）的扩散率急剧增加。虽然这种增强的扩散率可能指向流体的增强的混合，但混合效率的严格量化需要分析示踪剂的成对分散，而不是简单的单粒子扩散率。在这里，我们计算分析的相对扩散系数的被动示踪剂嵌入在一个稀释的悬浮液中的运行和翻滚microswimmer的尺度相关。虽然每个示踪剂受到强烈的波动，导致大的绝对扩散率，小规模的相对分散被抑制，由于流体速度的相关性，这是相关的，当示踪剂间的分离是低于游泳运动的持续长度。我们的研究结果表明，游泳方向的重新定位在生物混合中起着重要的作用，并应考虑在设计潜在的活性物质设备能够有效的流体混合在微尺度。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Confined run-and-tumble swimmers in one dimension
活动粒子运动的持久性引起边界上的积累。我调查的问题，运行和翻滚的游泳运动员被限制在一个1D框与硬墙，报告的颗粒概率分布和壁压的表达式。一个交叉盒长度值被发现低于初始值的压力原来是高于渐近的，表明反弹效果的积极“波”的游泳者。吸引和排斥边界的情况下，也研究了使用两种不同的翻滚率的颗粒在散装和在墙壁。逃逸问题，最后分析考虑部分可渗透的墙壁，通过该颗粒可以离开盒子。
2022-06-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
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
Pattern, Growth and Aging in a Colony of Clustering Active Swimmers
通过分子动力学模拟，我们研究了活性物质相分离模型中的动力学。分别用两点等时密度-密度关联函数、平均畴长和两点等时密度自相关函数对各向同性双连续斑图形成、生长和老化进行了定量研究。这两个关联函数表现出基本的缩放特性，这意味着自相似的模式动态，平均域大小表现出幂律增长的时间。等时相关具有短距离行为，其提供了相应结构因子尾部与Porod定律的合理一致性。自相关衰减在平均磁畴尺寸上是幂律的。除了这些基本的相似之处，上述可观测量的定量行为被发现是非常不同的相应的被动极限的模型，也经历相分离。它们的功能形式已被量化。由于粒子的快速相干运动，其均方位移表现出多个标度制度，包括一个长时间的弹道一个异常快速的增长发生在活跃的系统。
2016-05-26 cond-mat.soft
Defect turbulence in a dense suspension of polar, active swimmers
该研究针对极性活性游动体稠密悬浮液，揭示了无量纲参数$R$对系统稳定性的调控机制，并通过数值模拟发现了$R<R_2$时的缺陷湍流及缺陷空间分布的隐藏转变。
2023-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Orientational order and morphology of clusters of self-assembled Janus swimmers
由于各向异性相互作用和活动的综合效应，Janus游泳者能够以各种各样的结构自组装，比它们的平衡对应物多得多。这可能会导致开发出能够在没有任何中央控制的情况下执行任务的新型活性材料。它们在设计此类材料方面的潜在应用使得人们能够尝试了解这些游泳者自组装的基本机制。在目前的工作中，我们研究了两类两亲性球形游泳者的准二维半稀悬浮液，其运动方向可以调节：无论是游泳者在疏水补丁（WP）的方向推进，或游泳者在相反的方向推进（朝向亲水侧）（AP）。在这两个系统中，我们已经系统地调整游泳者的疏水强度和签名，并观察到各向异性的相互作用，其特征在于角吸引力的潜力和其相互作用范围，在竞争与主动应力，指向或反对有吸引力的补丁引起了丰富的聚集现象。
2019-05-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dynamical density functional theory for circle swimmers
大多数关于自推进粒子和微型游泳者的研究集中在不具有确定性弯曲轨迹的物体上。然而，完美的轴对称在现实中很难找到，形状不对称的主动微泳者往往表现出持久的曲率的轨迹。因此，我们在这里提出了一个粒子尺度的统计方法的圆游泳悬浮液的动力学密度泛函理论。它是基于一个最小的microswimmer模型，特别是，包括游泳者之间的流体动力学相互作用。在理论推导之后，我们数值研究了将游泳者限制在圆对称势阱中的平面示例情况。在那里，我们发现，增加曲率的游泳轨迹可以扭转主动驱动器的定性效果。更准确地说，随着曲率的增加，游泳者向外推动限制的效率降低，而是在陷阱的中心形成高密度的斑块。我们的结论是，在水动力相互作用的存在下，个别游泳者的圆周运动具有局部化效应。我们的部分结果可以通过实验得到证实，例如，使用不同长宽比的L形圈游泳者的悬浮液。
2018-07-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
No many-scallop theorem: Collective locomotion of reciprocal swimmers
为了在低雷诺数下获得推进力，游泳者必须以一种在时间反演对称下不恒定的方式变形;这个结果被称为扇贝定理。我们在这里表明，没有多扇贝定理。我们证明，两个活性粒子进行相互变形可以游泳集体，此外，极性粒子也经历有效的长程相互作用。这些结果来自一个最小的二聚体模型，并推广到更复杂的几何形状的对称性和缩放参数的基础上。我们解释了如何合作运动可以实现实验通过摇动一个均匀的外场收集软粒子。
2008-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Microrheology of active suspensions
该研究通过类推进器型微型游泳者的直接流体动力学模拟，揭示活性悬浮液中探针因前后流体动力学不对称而产生显著净驱动力与摩擦降低的微观流变机制。
2023-12-17 cond-mat.soft
Chemotaxis of artificial microswimmers in active density waves
活的微生物能够通过游向或远离刺激源来对外部刺激进行战术响应;它们通过使其战术信号转导途径适应环境来这样做。因此，它们的自我能动性使它们能够逆着行进的战术波游泳，而简单的前后不对称论点则表明相反的情况。他们的仿生对手，人造微泳者，也通过从活性介质中收集动能来推动自己，但相比之下，缺乏适应能力。在这里，我们调查运输的人工游泳运动的积极波和显示，通过分析和数值方法，自推进的粒子实际上可以扩散在任何方向上的波，这取决于它的速度和波形。此外，沿着螺旋轨迹移动的手性游泳者可以优选地在垂直于活动波的方向上扩散。这样的各种战术反应解释了游泳者的扩散内旅行主动脉冲的调制。
2016-06-30 cond-mat.soft
Swimmer-tracer scattering at low Reynolds number
了解示踪剂颗粒在活性流体中的随机动力学对于识别流动生成对象（诸如胶体、细菌或藻类）的物理性质是重要的。在这里，我们研究分析和数值散射的示踪粒子在不同类型的时间依赖性，流体动力学流场。具体来说，我们比较了示踪剂运动引起的外部驱动的胶体与各种自我运动，多球游泳者产生的。我们的研究结果表明，无力游泳者一般诱导环形示踪剂轨迹。这些回路的特定拓扑结构由微游泳器的流体动力学性质决定。对典型实验条件的定量估计意味着，即使考虑到布朗运动效应，平均而言，循环仍然存在。
2010-07-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Inertia drives concentration-wave turbulence in swimmer suspensions
本文发现了一种由惯性、游动者运动性和浓度涨落相互作用驱动的不稳定性机制，该机制不依赖主动应力，通过数值模拟观察到浓度和取向的自持波从规则振荡过渡到波湍流，并分析了其统计特征。
2024-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Memory effects and active Brownian diffusion
一个自推进的人工微型游泳器通常被建模为一个弹道布朗粒子，沿着其一个轴以恒定的速度移动，但由于与环境的随机碰撞而改变方向。类似于热噪声，它的角度随机化被描述为一个无记忆的随机过程。在这里，我们推测，有限时间的相关性的取向动力学可以影响游泳者的扩散。为此，我们提出并解决了两个替代模型。在第一个中，我们简单地假设，环境波动管理的游泳者的推进是指数相关的时间，而在第二个中，我们考虑到可能的阻尼波动的推进速度围绕游泳者的轴。相应的游泳者的扩散常数预测得到，分别增强或抑制后，增加模型记忆时间。这种影响的实验数据的解释可能产生的后果进行了讨论。
2015-11-19 cond-mat.soft physics.chem-ph
Minimal actuation and control of a soft hydrogel swimmer from flutter instability
本文证明均匀静电场可通过颤振不稳定性驱动无系绳水凝胶游泳体产生周期性波动，并可借电场重定向控制轨迹，为可微型化的机械智能软体机器人提供简单设计原理。
2024-08-05 cond-mat.soft
Scattering of rod-like swimmers in low Reynolds number environments
在寻找代谢资源的过程中，微生物在呈现物理各向异性的粘性环境中游动，包括各种尺寸的空间障碍。众所周知，水动力会显著改变游泳者在平坦和低曲率表面附近的轨迹。在这项工作中，我们成像了游泳细菌和半径从~1到~10个细胞长度的微制造柱之间成千上万的高曲率散射相互作用。作为碰撞参量的函数，细胞柱相互作用产生了不同的手性分布的散射角-包括意想不到的“反旋转”轨迹-以及描述的立体模型。我们的数据和模型表明，改变游泳者的轨迹是受不同的机制时，与不同大小的对象相互作用，主要是空间的对象低于10个细胞的长度，并需要纳入流体力学在更大的尺度。这些轨迹的改变会影响游泳动力学，并可能以取决于环境中障碍物的形状和位置的方式影响微生物种群。
2020-07-01 cond-mat.soft
Active spheroids in viscosity gradients
本文研究粘度梯度中椭球形活性粒子的流体动力学，发现形状细长度减弱梯度影响并推导迁移率张量，为控制复杂流体中的游泳者提供新视角。
2023-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
