Rotational 3D printing of active-passive filaments and lattices with programmable shape morphing
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）；Stanford University（斯坦福大学）；Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University（哈佛大学生物启发工程怀斯研究所）
通过旋转多材料3D打印技术，实现具有可编程形状变形的活性-被动丝线和晶格，可精确预测其变形行为，适用于适应性、机器人或可部署应用。
2026-03-05 cond-mat.soft
Programmable Filaments and Textiles
我们分析了各种变形结构，通过驱动Janus细丝包括驱动和被动部门和纺织品纳入驱动和被动细丝。在Janus环和纺织品中都检测到了在驱动时在一定范围内的相对延伸范围内的替代形状和绝对稳定和亚稳态状态共存之间的转变。单丝和纺织品都可以反向设计，通过控制驱动扇区的尺寸和方向弯曲成所需的形状。
2019-03-14 cond-mat.soft
The hydrodynamic Euler-elastica: shape transitions in the dynamical buckling of elastic filaments in Stokes flow
Nantes Université, École Centrale Nantes, CNRS, LS2N（南特大学，中央理工学院南特分校，法国国家科学研究中心）；Université Côte d’Azur, Inria（蔚蓝海岸大学，法国国家信息与自动化研究所）；University of Bristol（布里斯托大学）
研究斯托克斯流中弹性细丝动态屈曲的形状转变，用粗粒度数值模型揭示三种形态状态，由无量纲屈曲数主导，傅里叶分析表明状态转变源于曲率模式竞争，发现不同形状对小扰动敏感，弥合了静态和动态屈曲理论。
2026-07-21 cond-mat.soft
Shape selection of surface-bound helical filaments: biopolymers on curved membranes
出于理解生物细丝与各种类型的膜相互作用的行为，我们研究了与弯曲膜结合的本质螺旋细丝的形状和热力学的理论模型。我们发现，柔顺表面的相互作用导致了主机的非均匀形状的平衡，其中长丝逐渐从其原生扭曲与增加表面的相互作用和表面曲率，最终采用均匀接触的弯曲形状。后一种效应是由于各向异性弯曲表面上的长丝的弹性扭曲和弯曲之间的非线性耦合，例如这里考虑的圆柱形表面。通过结合数值解和渐近分析的形状平衡，我们表明，长丝构象是非常敏感的表面曲率在强和弱约束的限制。这些结果表明，膜结合的手性细丝的局部结构是一般敏感的曲率半径的表面，它是绑定的，即使当该半径是远远大于细丝的固有间距。几个原核和真核细丝的弹性参数和相互作用能的典型值表明，生物聚合物固有地对扭曲、相互作用和几何形状之间的耦合非常敏感，并且这可以用于调节各种过程，例如有针对性地施加力、信号和响应于几何线索（包括局部平均和高斯曲率）的自组装。
2016-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Helical Superstructure of Intermediate Filaments
在大的细胞骨架元素中，中间丝是研究最少的。我们在这里显示，他们在狭窄的微流体通道中显示构象异常。他们的不寻常的行为可以理解为以前未被发现的结果，大规模的螺旋弯曲的上层建筑。限制在一个通道秩序，否则软，强烈波动的螺旋丝，并提高其结构的相关性，引起实验检测，强烈振荡的正切关联函数。我们提出了一个解释检测到的内在弯曲现象-弹性形状不稳定，我们称之为自动卷曲。该机制涉及通过位于横截面外部的表面应力的自诱导的细丝屈曲。结果同意超微结构的结果和合理化的通常观察到的环状中间丝的形状。
2018-03-13 cond-mat.soft
Doughnut-shaped soap bubbles
肥皂泡是一层薄薄的液体膜，里面包着一定体积的空气。由于表面张力通常被认为是唯一负责符合肥皂泡形状，实现的泡沫表面总是最小面积的。在这里，我们考虑的问题，找到轴对称的最小面积表面包围一个固定的体积$V$和一个固定的赤道周长$L$。众所周知，球体是$V=L^3/6π^2$的解，例如，这确实是自由肥皂泡的情况。令人惊讶的是，我们发现，对于$V<αL^3/6π^2$，与$α\approx 0.21$，这样的表面不能是通常的透镜状表面形成的并列两个球冠，而是一个环面。实际上，已知甜甜圈形状的气泡最终是不稳定的，因此，它最终将通过分裂成更小的气泡而失去其轴对称性。毫无疑问，然而，从球面到环面的拓扑过渡是强制性的，在这里获得这个轴对称等周问题的全局解。我们的结果表明，变形的气泡与$V<αL^3/6π^2$不能稳定，不应该存在于泡沫，例如。
2015-09-26 cond-mat.soft physics.class-ph
Conformations, hydrodynamic interactions, and instabilities of sedimenting semiflexible filaments
半柔性细丝在均匀外部（重力）场作用下的构象和动力学，例如，在离心机，研究了数值和解析。流体动力阻力和弯曲弹性之间的竞争产生了新的形状和动力学特征。我们表明，形状的半柔性丝经历不稳定性的外部场的增加。我们确定了两个过渡，对应于较高的弯曲模式的激发。特别是，对于强场，灯丝稳定在非平面形状中，导致侧向漂移或螺旋轨迹。对于两个相互作用的细丝，我们发现相同的过渡，与重要的后果，新的非平面形状有一个有效的流体动力学排斥，在相反的平面形状吸引自己，即使当他们的密切平面相对于彼此旋转。对于平面细丝的情况下，我们分析和数值表明，相对速度不一定是由于不同的阻力的个别细丝，但流体动力学相互作用引起的形状不对称。
2015-08-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Breakup of Air Bubbles in Water: Memory and Breakdown of Cylindrical Symmetry
利用高速摄像技术研究了水下喷嘴中气泡的分离过程。当气泡扭曲时，它会形成一个细颈，当它被夹断时，会形成一个奇异的形状。与其他奇点一样，最小颈半径与分裂前的时间成比例。然而，由于空气-水界面张力不驱动分裂，即使是小的初始圆柱形不对称性在整个崩溃中被保留。这种新颖的、非通用的奇点保留了喷嘴形状、尺寸和倾斜角度的记忆。在最后阶段，空气似乎撕裂而不是挤压。
2006-07-31 cond-mat.soft
On the shape of air bubbles trapped in ice
本文通过非线性常微分方程揭示了冰中气泡细长且前后不对称形状源于冻结、毛细与扩散的平衡，实现了对冻结条件的测量及多孔材料设计，并解释了“冰虫”的形成机制。
2024-11-25 cond-mat.soft physics.app-ph
Flow onset for a single bubble in yield-stress fluids
我们使用计算方法来确定所需的最小屈服应力，以保持静态的浮泡在屈服应力液体。静态极限由气泡形状、无量纲表面张力（$γ$）和屈服应力与浮力应力之比（$Y$）决定。对于给定的几何形状，气泡对于$Y > Y_c$是静态的，这是我们针对一系列形状确定的。考虑到表面张力可以忽略不计，长扁长气泡与扁长气泡相比需要更大的屈服应力来保持静态。非零$γ$增加了$Y_c$，对于大的$γ$，屈服毛细管数（$Y/γ$）决定静态边界。在此极限下，虽然气泡形状很重要，但气泡方向并不重要。二维平面和轴对称气泡进行了研究。
2021-11-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Ferromagnetic filament shapes in a rotating field reveal their magnetoelastic properties
提出利用旋转磁场中铁磁丝的形状确定磁弹性数 $Cm$ 及弯曲模量的方法，误差为 $15...20\%$，提升了理论模型与实验测量的可比性。
2023-07-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rotational dynamics of a soft filament: wrapping transition and propulsive forces
我们实验分析了在粘性液体中旋转的长弹性细丝的形状。我们确定了一个连续的，但急剧的过渡，从直的螺旋形状，导致粘性应力和弹性力之间的竞争。这种诱导的螺旋度产生沿着旋转轴的推进力。此外，我们表明，形状转变与力-扭矩关系中的不稳定分支。提出了一个线性化的流体-结构相互作用模型，以考虑非线性细丝动力学的所有特征。
2008-02-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bubble Shape and Transport During LCM Processes: Experimental Modeling in a T-Junction Tube
长纤维复合材料可以通过液体复合材料成型（LCM）来加工，这是一种通过低粘度树脂注射纤维预制件的工艺。在这个过程中，我们必须特别注意预制件内部的空隙形成，因为它可以改变材料的最终特性。实际上，预成型件呈现两种不同的孔隙率尺度：纱线之间称为大孔，纱线内部称为微孔。
2012-07-17 cond-mat.soft physics.class-ph
Dissolution Arrest and Stability of Armored Bubbles
溶解装甲气泡稳定与非球形形状的干扰最初布朗粒子吸附在他们的界面。在气体饱和溶液中，这些形状的特征在于颗粒与气泡半径的比率减小的平面刻面或折叠。我们进行模拟溶解的数值模拟，并表明，在体积减小的小面的形状代表了当地的能量最小值。该最小值的标志是拉普拉斯超压$ΔP$的消失，其与$V$ -间隔的存在一起，其中$dΔP/dV>0$保证稳定性以防止溶解。$ΔP$的减小是由于大多数界面的鞍形变形，其伴随着界面的平均曲率的减小。
2007-03-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
When bubbles are not spherical: artificial intelligence analysis of ultrasonic cavitation bubbles in solutions of varying concentrations
液体的超声波照射，如水-酒精溶液，导致空化或形成小气泡。在不使用光学陷阱的情况下，在真实的溶液中产生空化气泡，使我们的系统尽可能接近真实的条件。在超声波的作用下，气泡可以生长，振荡，最终崩溃或分解。我们应用运动分离的数学方法来解释声对气泡的影响。虽然在大多数情况下，气泡的球形形状在能量上是最有利的，因为它使表面能最小化，但是当声频与气泡的固有频率共振时，出现具有二面角对称性的形状。其中一些共振形状变得不稳定，因此气泡分解。结果表明，气泡在不同浓度（具有不同的表面能和密度）的溶液中具有不同的演化路径。虽然很难获得溶液浓度如何影响气泡动力学的确定性描述，但可以通过应用人工神经网络（ANN）算法来分离具有不同浓度的图像。训练人工神经网络，根据气泡图像检测水溶液中的酒精浓度。这表明，人工智能（AI）方法可以在非平衡、接近不稳定的情况下补充确定性分析。
2022-01-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Predicting Complex Non-spherical Instability Shapes of Inertial Cavitation Bubbles in Viscoelastic Soft Matter
软物质中的惯性空化是生物和工程过程中的一种重要现象。实验，理论和数值技术的最新进展提供了进入一个充满非线性物理学的世界，但迄今为止，我们大多数的定量理解一直集中在一个球对称描述的空化过程。然而，空化气泡的生长和破裂很少以完全对称的方式发生，特别是在软材料中。预测动态产生的非球形不稳定性的发生仍然是一个重大的，未解决的挑战，部分原因是由于周围的非线性粘弹性固体引入的额外的本构复杂性。在这里，我们提供了一个新的理论模型，能够准确地预测发病的非球形不稳定形状的气泡在软材料中明确占所有相关的非线性相互作用之间的流体状空化气泡和固体状的环境。与高分辨率的实验图像在聚丙烯酰胺（PA）水凝胶激光诱导空化事件的比较显示出良好的一致性。有趣的是，并与实验结果一致，我们的模型预测出现各种动态不稳定形状的环向拉伸比大于一个相反，最准静态的调查。我们的新理论框架不仅提供了前所未有的洞察力在软固体中的空化动力学，但它也提供了一个定量的手段来解释气泡动力学相关的广泛的工程和医学应用以及自然现象。
2021-04-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Collective dynamics of active filament complexes
生物丝的网络对于支持各种生物功能的细胞结构的形成是必不可少的。在大多数情况下，以前的研究已经调查了杆状生物细丝的集体动力学;然而，实际亚细胞成分的形状往往更复杂。在这项研究中，我们考虑了一个由两个活性细丝组成的活性物体，这代表了从杆状生物细丝到复杂形状生物细丝的发展。具体而言，我们数值评估的集体行为，这些活动的对象在两个维度，并观察到几种类型的动态依赖于密度和角度的两个灯丝的形状参数的对象。在观察到的集体动力学中，我们首次引入了一个移动密度带，我们将其命名为“移动近晶”。通过分析单个物体的轨迹以及它们之间的相互作用，这项研究展示了具有复杂形状的活性生物丝之间的相互作用如何以非平凡的方式产生集体动力学。
2016-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Axisymmetric bubble pinch-off at high Reynolds numbers
高雷诺数下气泡夹断的分析和势流数值模拟表明，当奇点附近气泡的局部形状对称时，气泡的最小半径$r_n$按$τ\propto r_n^2 \, (-\ln{r_n^2})^{1/2}$减小，其中$τ$是破裂时间。然而，如果动量方程中的气体对流项的数量级变为液体对流项的数量级，则气泡形状不再对称，并且颈部的演化变为$r_n\proptoτ^{1/3}$幂律。这些发现得到了实验验证。
2019-12-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flexibility Induced Motion Transition of Active Filament: Rotation without Long-range Hydrodynamic Interaction
本文从形状运动学和流体动力学的角度研究主动半柔性细丝的运动。三种类型的细丝运动被发现：平移，蛇形和旋转。柔性的变化将导致形状运动学的不稳定性，并进一步导致形状运动学相对于质心运动的不对称性，这分别导致从平移到蛇形的类连续过渡和从蛇形到旋转的类一阶过渡。特别有趣的是，我们发现，长程流体动力学相互作用是不必要的细丝旋转，但可以显着提高其外观的参数区域。这一发现可能提供了一个证据，即实验发现的集体旋转的活动丝更有可能产生的个人财产，即使没有远程流体动力学相互作用。
2012-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Defect-driven shape instabilities of bundles
拓扑缺陷对凝聚态系统的热力学和结构至关重要。例如，当掺入到像石墨烯这样的结晶膜中时，具有正和负拓扑电荷的向错分别将材料弹性地弯曲成圆锥形和鞍形形状。最近发现的二维柱状结构中的元件间间距与曲面的度量性质之间的映射激发了关于柱状束的截面中的缺陷与其3D形状之间的相互作用的基本问题。这些问题对一大类丝状材料的结构至关重要，从蛋白质纤维等生物组装体到碳纳米管束等纳米或微米结构的合成材料。在这里，我们探索的屈曲行为的基本向错在六角束使用连续弹性理论和离散细丝的数值模拟相结合。我们发现，形状不稳定性是由一个单一的材料相关的参数，其特征的细丝间的细丝内的弹性能量的比例控制。随着主机以前未知的形状平衡-丝状类似物的圆锥形和鞍状形状的缺陷膜-我们发现一个深刻的不对称反应，积极和消极的拓扑带电缺陷的无限长的限制，是没有平行的膜模拟。高度非线性依赖的向错电荷的符号被证明有一个纯粹的几何起源，源于从不同的兼容性（或不兼容性）的有效正（或负）曲率的几何形状与纵向恒定的灯丝间距。
2018-08-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Flexible filaments buckle into helicoidal shapes in strong compressional flows
卷曲或螺旋形态的出现在自然界中是常见的，从植物根到DNA包装到病毒衣壳，以及在诸如石油钻探过程的应用中。在许多示例中，手征结构由直纤维的屈曲产生，该直纤维具有固有扭曲或者除了压缩力之外还被施加了端部力矩。在这里，我们阐明了一个通用的方式来形成规则的螺旋形状从非手性直丝运输粘性流与自由端。通过使用荧光标记的肌动蛋白丝在微流体发散流和两组不同的数值模拟的实验相结合，我们证明了螺旋形成的鲁棒性。进行非线性稳定性分析，并解释了这种手性结构的出现，从垂直平面屈曲模式的非线性相互作用，效果，只需要一个强大的压缩流，独立的确切性质的纤维或流场的类型。发现的形态转变和表征的新兴构象的基本机制推进了我们对几个生物和工业过程的理解，也可以用于手性物体的可控微制造。
2019-10-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Vesicles with internal active filaments: self-organized propulsion controls shape, motility, and dynamical response
本文提出“flexocytes”可变形囊泡模型，通过内部自推进丝的相互作用驱动膜形变，模拟生物细胞运动，并预测其在微图案基底和外部刺激下的动态响应，为软物质机器人构建提供新思路。
2019-11-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Analysis of Anchor-Size Effects on Pinned Scroll Waves and Measurement of Filament Rigidity
惰性的球形不均匀性可以在可激发的Belousov-Zhabotinsky反应中钉扎三维涡卷波。三个钉扎位点导致最初的圆形旋转骨架接近等边三角形。所得到的固定形状显示出随着锚半径的减小而增加的凸偏差。这种依赖性被解释为在大的表面和真正的，局部钉扎的连续曲线的灯丝终止之间的过渡。细丝段的形状由双曲余弦函数描述，该函数由考虑细丝张力和刚度的运动学理论预测。后一个值测量为（1.0 $\pm$ 0.7）$\times$ $10^{-6}$ cm $^4$ /s。
2014-01-14 cond-mat.soft nlin.AO nlin.PS
Morphology of axisymmetric vesicles with encapsulated filaments and impurities
通过积分耗散动力学，分析了具有包封细丝或杂质的三维轴对称囊泡的形状变形。该方法可以系统地结合固定表面积和/或固定体积的约束。囊泡中包裹的纤维被假定为杆状或环状，以模仿细胞骨架。在这两种情况下，囊泡的形状转变的结果总结在相图中的相空间的囊泡体积和杆长或环半径。我们还研究了与杂质耦合到膜曲率的囊泡的动力学。线性稳定性分析可以很好地解释动力学演化早期阶段的相分离和相应的形状变形。长时间的模拟表明，在后期阶段的囊泡的波浪形变形的非线性粗化。
2002-07-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
