Designing phoretic micro- and nano-swimmers
小物体可以通过在它们周围产生场或梯度来游动，场或梯度又通过泳动表面效应诱导流体运动通过它们的表面。我们量化任意游泳者的形状和表面图案，如何有效的游泳需要两个表面的“活动”，以产生的领域，和表面的“泳动流动性。我们特别指出：（i）游泳需要在“活动”和“流动”模式中的一种或两种模式中的对称性破缺;（ii）对于给定的几何形状和表面模式，游泳速度与尺寸无关。此外，对于给定的可用表面属性，我们的计算框架提供了一个指导，优化设计的游泳者。
2007-01-09 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
Diffusion-based height analysis reveals robust microswimmer-wall separation
微型游泳者通常在墙壁附近移动，这会强烈影响他们的运动。然而，直接的实验测量游泳壁分离仍然难以捉摸的日期。在这里，我们确定这种分离的模型催化microswimmer的高度依赖性的被动组件的均方位移。我们发现，游泳者表现出“ypsotaxis”，倾向于假设一个固定的高度以上的墙壁的盐浓度，游泳者的表面电荷，和游泳者的大小范围。我们的研究结果表明，ypsotaxis是活动诱导的，对未来仍有争议的推进机制的建模构成限制。
2020-10-22 cond-mat.soft
Optimal slip velocities of micro-swimmers with arbitrary axisymmetric shapes
本文提出了一种计算方法，用于确定任何给定形状的轴对称微型游泳者悬浮在粘性流体中的最佳滑移速度。目标是最小化功率损失以保持目标游泳速度，或者等效地最大化微型游泳者的效率。由于斯托克斯方程的线性流体运动，我们表明，这个PDE约束的优化问题减少到一个更简单的二次优化问题，其解决方案是使用高阶精确的边界积分方法。我们考虑各种家庭的形状参数化的减少体积和计算其游泳效率。其中，长球体被发现是对于给定的减小的体积最有效的微型游泳者形状。我们提出了一个简单的基于形状的标量度量，它可以确定给定形状上的最佳滑动是否使其成为推动者，拉动者或中性游泳者。
2020-10-02 cond-mat.soft math.OC physics.flu-dyn
Pushmepullyou: An efficient micro-swimmer
在低雷诺数条件下，改变其体积和相互距离的一对球形囊的游动是有效的，并且优于其他模型的人工游泳者。形状的变化类似于某些原生动物的蠕动运动，称为{ \it代谢}。
2005-04-21 cond-mat.soft math-ph math.MP
Auto-chemotactic micro-swimmer suspensions: modeling, analysis and simulations
微生物可以优先沿着化学引诱物的梯度定向和移动（即，chemotax），而许多微生物的菌落可以响应于它们自身产生的化学引诱剂而共同经历复杂的动力学。对于殖民地或群体的微型游泳者，我们调查如何“自动趋化”的反应，应该导致游泳者聚集的影响，由集体游泳所产生的非平凡的流体流动。为此，我们考虑趋化性模型的基础上的流体动力学理论的能动悬浮液，完全耦合到化学引诱剂的生产，运输和扩散。各向同性有序悬浮液的线性分析揭示了由于独立于游泳者类型发生的趋化性引起的聚集不稳定性，以及当游泳者是“推动者”时的流体动力学不稳定性。然而，非线性模拟表明，流体动力学相互作用可以显着修改的chemotactically驱动的聚集动力学悬浮液中的“推”或“拉”。这些耦合相互作用在殖民地中产生的动力学的不同状态进行了讨论。
2013-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A simple micro-swimmer model inspired by the general equation for nonequilibrium reversible-irreversible coupling
提出了一个简单的平均场微游泳者模型。该模型的灵感来自于进行化学反应的多组分流体的非平衡热力学。这些热力学可以在GENERIC（非平衡可逆-不可逆耦合的一般方程）框架下严格描述。更具体地说，这种方法最近被应用于非理想聚合物溶液（Indei和Schieber，J. Chem. Phys，146，184902，2017）。溶液中的一种是由珠-弹簧模型表示的不反应的聚合物链。使用这个详细的描述作为灵感，我们然后做几个简化的假设，以获得一个Janus微型游泳者的平均场模型。这里考虑的游泳者模型由反应物海洋中的聚合物哑铃组成。哑铃的其中一个珠粒被允许充当反应物之间的化学反应的催化剂。我们表明，均方位移，MSD，这个Janus哑铃的质量质心在反应物的浓度是大的时间尺度上表现出弹道行为。在MSD中观察到的弹道行为的时间尺度与游泳者的取向和其位移方向之间的互相关呈现最大值的时间尺度一致。由于游泳者模型的灵感来自GENERIC框架，因此可以确保熵产生始终为正，因此遵守热力学第二定律。
2022-08-13 cond-mat.soft
Hydrodynamics of Micro-swimmers in Films
表面和界面影响微生物生命的主要机制之一是通过扰动游泳产生的流体动力学流动。通过总结一系列递归的图像系统，我们推导出一个数值上易于处理的近似的三维流场的Stokeslet（点力）之间的粘性膜的平行无滑动表面和无剪切界面，从这个格林函数，我们计算的流量产生的力和扭矩自由的微型游泳者。我们还将Liron和Mochon（1976）的精确解推广到薄膜几何，这表明，如果薄膜与游泳者的尺寸相比足够厚，则图像序列给出了对游泳者流场的满意近似，并且我们导出了薄膜极限下的游泳者流。集中在厚膜的情况下，我们发现，偶极矩诱导的偏向游泳者积累在无滑壁，而不是水-空气界面，但高阶多极矩可以反对这一点。分析预测的基础上，我们提出了一种实验方法来找到多极系数，诱导圆形游泳轨迹，允许解析确定游泳者的三维位置在显微镜下。
2016-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective entrainment and confinement amplify transport by schooling micro-swimmers
微型游泳者可以作为货物载体，在复杂的流动网络中移动。当一个学校集体夹带周围的流体时，它们的运输能力可以增强。这种效果是量化的实验与自推进液滴和一个有限的Brinkman蠕动模型之间的良好协议。所夹带的液体体积可以比液滴本身大得多，从而将有效货物容量放大超过一个数量级，即使对于稀释的学校。因此，生物和工程游泳者可以有效地将材料运输到封闭的环境中。
2021-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Micro-swimmer collective dynamics in Brinkman flows
Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University（伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）
本研究针对复杂生境中微型游泳者的集体动力学问题，建立Brinkman湿多孔介质中的连续介质耦合理论，通过分析与模拟发现阻力可延迟、阻碍甚至完全抑制集体游泳不稳定性，为相关实验提供理论参考。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Re-entrant bimodality in spheroidal chiral swimmers in shear flow
我们使用一个连续介质模型报告的行为的稀释悬浮液的手征游泳受到外部施加的剪切平面通道。游泳者的取向，在施加的剪切响应的特点是两个不同的阶段的行为，对应于单峰或双峰分布函数的游泳者取向沿通道。这些阶段表明发生（或不发生）的人口分裂现象改变的宏观部分的活性颗粒的游动方向的确切相反的规定所施加的流量。我们提出了一个详细的定量分析阐明的复杂性添加到人口分裂行为的游泳者，当他们是手性的。特别是，从单峰到双峰的过渡，反之亦然，显示通过改变手性角速度跨越参数空间的再入行为。我们还提出了显着的颗粒纵横比和自推进速度对系统相行为的影响，并讨论了我们的研究结果在应用中，如游泳者分离/分选的潜在影响。
2018-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamic Synchronisation of Model Microswimmers
我们定义了一个模型microswimmer具有可变的周期时间，从而允许游泳者之间的流体动力学相互作用驱动的锁相的可能性。我们发现，对于伸展或收缩的游泳者，锁相确实发生，与两个游泳者的相对相位，一般来说，接近0或π，这取决于他们的相对位置和方向。我们表明，正如预期的对称性的理由，自我T-双游泳者，这是时间反演协变，不锁相。我们还讨论了相行为的系留游泳者，或泵。这些显示了它们的相对相位的振荡，让人想起纤毛的异时波。
2009-07-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stability and dynamics of anisotropically-tumbling chemotactic swimmers
像细菌这样的微型游泳者进行随机行走，称为奔跑和翻滚，以沿着化学引诱物梯度向上移动，结果与其他生物聚集。人们还知道，由于通过它们所居住的流体环境与邻近细胞相互作用，这种微型游泳者可以自组织成宏观模式。虽然先前已经研究了分别和一起由趋化性和流体动力学相互作用引起的斑图形成，但尚未探索微游泳者翻滚中的各向异性的影响。在这里，我们表明，通过线性分析和完全非线性模拟，轻微的各向异性在个人游泳翻滚可以改变集体斑图形成在非平凡的方式。我们表明，翻滚各向异性降低了趋化聚集体的大小，但可能导致更多这样的聚集峰。
2016-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
External chemical gradient leads to efficient swimming of chiral swimmers
外部梯度能强烈影响微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个流体动力相互作用的自推进手征游泳者的行为，在低雷诺数制度下，外部线性化学梯度的影响下。我们使用广义蠕动模型称为手征蠕动，一个球形的身体与不对称的表面滑动速度，代表游泳者。我们发现，外部梯度有利于游泳者之间的吸引力，并在某些情况下，导致一个有界的状态，其中游泳者以高度同步的方式移动。此外，由于这种协作运动，与单个游泳者相比，游泳者有效地到达化学目标。本研究有助于理解手性游泳分子的集体行为，并有助于设计用于靶向给药的合成微游泳分子。
2023-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Efficient models for micro-swimmers
我们提出了极小模型的一维，二维和三维的微型游泳者在低雷诺数与周期性的非往复运动。这些游泳者是沿着游泳轴线的流体的“推动者”或“拉动者”，或两者的组合，这取决于游泳运动的历史。我们证明了这一点与线性三珠游泳者通过分析评估的迁移速度和强度的偶极流引起的游泳运动。据发现，每个周期和偶极流行进的距离可以从投影到珠之间的两个距离的交会图上的周期的轨迹所包围的区域上的积分获得。二维和三维模型游泳者可以通过打破游泳运动相对于游泳轴的对称性来翻滚，如大肠杆菌或衣原体的翻滚运动中所发生的那样，其使鞭毛的运动去对称化以重新定向游泳方向。我们还提出了一个五珠模型的“螺旋游泳者”，即与螺旋鞭毛和旋转电机连接到细胞体。我们的五珠游泳者被吸引到附近的墙壁上，在那里它顺时针游泳，就像在螺旋鞭毛细菌实验中观察到的那样。
2010-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Assembly and speed control in ion exchange based modular phoretic micro-swimmers
本文报道了一种基于离子交换的模块化微游泳器在低盐水中的实验研究。阳离子交换颗粒和被动货物颗粒组装成自推进复合物，在长距离和长时间内以每秒几微米的速度显示自推进。我们量化了离子交换颗粒和货物颗粒、底物类型、盐类型和浓度以及细胞几何形状的不同组合的复合物的组装和速度。无论实验的边界条件，我们观察到一个有规律的发展，随着货物数量的增加，组件的形状。此外，随着货物数量的增加，游泳速度呈阶梯式增加，然后在最大速度处饱和，表明货物在模块化游泳中发挥着积极作用。我们提出了一个几何模型的自组装描述的实验观察定性的方式。我们的研究也为未来的理论建模和仿真提供了一些约束条件。
2017-03-22 cond-mat.soft
Micro-swimmer locomotion and hydrodynamics in Brinkman Flows
Universidad de Chile（智利大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）
研究微游泳器在Brinkman流体中的运动特性及流体动力学行为，推导了哑铃游泳器的游泳速度与阻力关系，并分析了远场流场的解析表达式。
2025-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Cooperation in a fluid swarm of fuel-free micro-swimmers
合作对于群体$^1$的生存至关重要。大规模的合作使得咕咕叫的椋鸟能够智胜捕食的猎鹰$^2$，使沙丁鱼能够智胜海狮$^3$，使智人能够比更新世的同类$^4$活得更久。在微米尺度上，细菌菌落表现出出色的弹性，这要归功于个体即使在密集的情况下也能合作的能力，减轻了它们的内部流动模式以混合营养物质，保护免疫系统并抵抗抗生素$^{5-14}$。在微尺度上生产人工蜂群面临着严峻的挑战$\frac{\;\;}{\;\;}$，而单个细菌具有进化锻造的内部机制来产生推进力，到目前为止，人工微型游泳者依赖于其环境的精确化学成分来直接为其驱动$^{14-23}$提供燃料。当拥挤时，人造微型游泳者在当地竞争有限的燃料供应，以最大的合作倾向熄灭彼此的活动。在这里，我们介绍一种不消耗化学燃料，仅由光驱动的人造微型游泳者。我们将一个吸光粒子与一个液滴结合，形成一个胶体嵌合体，将光能转化为推进热毛细作用。游泳者的内在驱动力允许他们长时间（数天）操作和保持活跃，并且他们的有效排斥相互作用允许高密度流体相。我们发现，在一个临界浓度以上，游泳者形成一个长期存在的拥挤状态，显示内部动态。当引入钝态粒子时，致密的游动相可以重新排列并自发地捕获钝态粒子。我们推导出一个几何的，耗尽状的条件，通过识别被动粒子在控制有效浓度的微型游泳者中发挥的作用。
2020-12-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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
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
Taxis of Artificial Swimmers in a Spatio-Temporally Modulated Activation Medium
与微生物对外界刺激的战术反应是由复杂的化学途径控制的，就像传感器-致动器回路一样，人工微泳者的趋化性是一种纯粹的随机效应，与粒子自推进的非均匀激活有关。我们通过数值和分析技术研究了这种游泳运动员在时空调制激活介质中的战术反应。在非常快和非常慢的旋转粒子动力学的相反的限制，我们得到的解析近似，密切再现的数值描述。游泳者根据其速度和宽度，平均平行于或反平行于激活脉冲的传播方向漂移。与脉冲一致的漂移仅由游泳者进行的主动布朗运动的有限持续长度确定，而相反方向的漂移由游泳者动力学的弹道和扩散性质的组合产生。
2017-02-28 cond-mat.soft
'Rocket propulsion' of Janus micro-swimmers
我们报告模拟一个球形的Janus粒子进行放热表面反应，只有一个极点。我们的模型排除了自泳运输的设计。然而，净运动发生在溶剂和胶体之间的直接动量传递，速度缩放为反应期间释放的能量的平方根。我们发现，这样的推进是由系统的短时间响应，当既不能忽略的时间依赖性的胶体周围的流动，也不能忽略溶剂的可压缩性。我们的模拟与以前的实验相当吻合。
2020-01-09 cond-mat.soft physics.chem-ph
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
Actuated rheology of magnetic micro-swimmers suspensions : emergence of motor and brake states
研究了磁场对磁性微泳者悬浮液流变学的影响。我们使用一个模型的稀悬浮液在简单的剪切和恒定的磁场。颗粒剪切应力的推和拉类型的微型游泳者。在低剪切速率的极限下，流变学表现出恒定的剪切应力，称为驱动应力，其仅取决于颗粒的游泳活动。该应力由磁场引起，并且可以是正的（制动状态）或负的（电机状态）。在低磁场的限制下，电动机制动效果的比例关系导出作为模型的无量纲参数的函数。在这种情况下，剪切应力是剪切速率的仿射函数。最后讨论了这种主动系统控制流体流变响应的可能性。
2018-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamics and efficiency of a self-propelled, diffusiophoretic swimmer
主动扩散电泳-通过与自生的中性溶质梯度的相互作用游泳-是微米尺度下自主运动的范例。我们在线性响应理论中研究这种推进机制。首先，我们考虑几个方面有关的游泳粒子的动力学。我们扩展建立的分析公式来描述小的游泳者，与他们的环境在一个有限的长度尺度。溶质对流也被考虑在内。化学反应的建模揭示了游泳者和浓度场的反应性的角分布之间的耦合。这种效应，我们称之为“反应诱导浓度畸变”，强烈地影响粒子的速度。基于这些见解，我们采用不可逆的线性热力学来制定能量平衡。这种方法突出了溶质对流的能量一致的治疗的重要性。游泳的效率进行了数值计算和近似解析。最后，我们定义了一个效率的运输的游泳运动在随机方向。它示出，这种效率的规模作为宏观距离的倒数的运输发生。
2011-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A stochastic model for bacteria-driven micro-swimmers
最近的实验表明，利用细菌作为微型机器人设备的可行性，特别注意细菌驱动的微型游泳者利用细胞的内置驱动和传感机制的发展。在这里，我们提出了一个随机流体动力学模型来描述分析和计算的微观粒子的动力学驱动的表面附着的细菌进行运行和翻滚运动的运动。我们计算的旋转扩散系数，游泳速度和有效扩散系数的解析表达式。在短时间内，均方位移（MSD）与游泳速度的平方成比例，这与颗粒大小无关（对于固定密度的附着细菌），并与附着细菌的数量线性缩放;相反，在长时间内，MSD与游泳者的大小成二次比例，并与细菌的数量无关。然后，我们扩展我们的结果的情况下，表面附着的细菌进行趋化性内的线性响应制度。我们证明，细菌驱动的颗粒能够执行人工趋化性，与化学浓度梯度中的趋化性漂移速度线性和独立的颗粒的大小。我们的研究结果验证了数值模拟的布朗动力学极限，并将相关的生物医学应用的微型游泳者的优化设计。
2019-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Numerical Study of a Microscopic Artificial Swimmer
本文对Dreyfus等人最近在实验中实现的一种微型人工游泳器进行了详细的数值研究。德雷福斯等人，Nature 437，862（2005）]。它由一根由超顺磁性粒子组成的弹性细丝组成，这些粒子通过DNA链连接在一起。附着到负载颗粒上，所产生的游泳者由振荡的外部磁场致动，使得其执行非往复运动以便向前移动。我们通过珠-弹簧配置来模拟超顺磁性细丝，该珠-弹簧配置像刚性杆一样抵抗弯曲，并且其珠与周围流体和彼此之间的流体动力学相互作用经历摩擦。我们发现，除了有限尺寸的影响，其动力学是由无量纲精子数，磁场的大小，和磁场的振荡方向的角振幅。然后，我们研究的平均速度和效率的游泳者作为这些参数和负载粒子的大小的函数。特别是，我们澄清，游泳者的实际速度是由两个主要因素，即形状的跳动细丝（由精子数量和磁场强度）和振荡频率的影响。此外，负荷大小影响游泳者的性能，并且必须选择为最大游泳速度和最佳效率之间的折衷。最后，我们证明了游泳速度的方向变化时，场的振荡方向的角振幅的增加，在一个破环过渡，与实验一致。
2008-05-20 cond-mat.other 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
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
Algae-like Artificial Organic Phototactic Micro-swimmers
本文报道了一类通过热解反应形成的类藻类有机微泳体，其具有动态集群、分形组装及正负趋光性等生命样行为，为仿生与催化应用提供了新型可编程胶体架构。
2023-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Asymptotic Dynamics of Magnetic Micro-Swimmers
通过旋转磁场使微型游泳者运动，在工程和数学建模方面都提出了有趣的挑战。本文研究了Stokes流中永磁刚体在空间均匀旋转磁场作用下的动力学问题。该系统取决于两个外部参数：与磁场的角速度成正比且与场的大小成反比的马逊数，以及磁场与其旋转轴之间的圆锥角。本文主要研究在低、高梅森数极限下以及在低锥角极限下的渐近动力学。在这三种制度中提供了分析解决方案。在低梅森数的极限下，动力系统存在一个周期解，在该周期解中，游泳者的磁矩趋向于与磁场一致。在大梅森数的极限下，磁矩趋向于与平行于旋转轴的平均磁场一致。在低锥角极限下的渐近动力学允许桥接这两个区域。最后，我们使用数值方法来比较这些解析预测与数值解。
2018-07-24 cond-mat.soft math.DS
Noise-induced aggregation of swimmers in the Kolmogorov flow
我们研究了一个模型的动态椭球microswimmer在一个外部施加的，层流Kolmogorov流。通过相空间分析的动力学无噪声，我们发现，游泳运动员喜欢横流或旋转漂移，这取决于他们的游泳速度和长宽比。当包括噪声时，即旋转扩散，我们发现游泳者被驱动到相空间的某些部分，导致非均匀的稳态分布。这种分布表现出从游泳者聚集在低剪切区域的流动聚集在高剪切区域的游泳者的速度，纵横比，和旋转扩散率的变化。为了解释游泳者的非均匀相空间分布，我们采用弱噪声平均原理，产生减少描述的随机游泳者动态。使用这种技术，我们发现，某些游泳者的轨迹是更有利的比别人在弱旋转扩散的存在。通过将这些信息与游泳者沿着每个轨迹的相空间速度相结合，我们预测了游泳者倾向于积累的相空间区域。平均技术的结果是在良好的协议与直接计算的稳态分布的游泳者。特别是，我们的分析解释了从低剪切到高剪切聚集的过渡。
2021-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Quantifying the sorting efficiency of self-propelled run-and-tumble swimmers by geometrical ratchets
合适的不对称微结构可用于控制微生物群体的运动方向。这种校正过程使得可以在空间区域中积累游泳者或对不同的游泳者进行分类。在这里，我们研究数值分离过程如何取决于所涉及的微生物的特定运动策略。对两种细菌菌株的分离效率和分离时间等关键特性进行了精确的定义和评价。特别是，两个细菌种群接种在一个盒子中，由一系列的不对称的障碍物列分隔室组成的排序进行了研究。我们展示了如何通过这些障碍提高排序效率，并得出结论，即使所涉及的种群仅在其游泳策略的一个方面不同，这种排序也可以有效地使用。
2013-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Entrainment and scattering in microswimmer--colloid interactions
我们使用边界元模拟研究模型microswimmer与中性浮力球形粒子的相互作用。粒子大小与游动粒子大小之比从对应于游动粒子-示踪剂散射的$R^\mathrm{P} / R^\mathrm{S} \ll 1$变化到近似等于游动粒子与固定平坦表面相互作用的$R^\mathrm{P} / R^\mathrm{S} \gg 1$。我们发现，游泳者和粒子轨迹的细节不同的游泳者。然而，散射事件的总体特征分为两个区域，这取决于碰撞参量$ρ$和碰撞半径$R^\mathrm{coll}=R^\mathrm{P} + R^\mathrm{S}$的相对大小。粒子运动范围定义为轨迹上两点之间的最大距离，当$ρ< R^\mathrm{coll}$时，粒子运动范围仅对碰撞参量具有弱依赖性，并随粒子半径减小而减小。相反，当$ρ>R^\mathrm{coll}$时，范围在$ρ$中按幂律减小，并且对颗粒的尺寸不敏感。我们还表明，大颗粒可以导致游泳者通过大角度偏转。在某些情况下，这种游动偏转可以导致粒子的更大净位移。基于这些结果，我们估计的有效扩散系数的粒子在稀释浴的游泳者，并表明，有一个非单调依赖于粒子半径。同样，我们表明，在悬浮液中的粒子的游泳者散射的有效扩散率随粒子半径的非单调变化。
2017-10-31 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Chemotactic aggregation dynamics of micro-swimmers in Brinkman flows
本文通过连续体模型分析与模拟，研究了Brinkman粘性流中微型游泳者的集体趋化动力学，发现介质阻力不仅抑制流体动力学相互作用和集体游泳涌现，还意外阻碍了趋化聚集。
2025-04-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Navigation of micro-swimmers in steady flow: the importance of symmetries
海洋微生物在海洋中航行时必须应对复杂的流动模式，甚至湍流。为了生存，它们必须避免被捕食，并寻找有效的能源。在分析可能的生存策略的一个主要困难是，在非线性流的环境线索的时间序列是复杂的，它取决于生物体所采取的决定。确定和评估最佳策略的一种方法是强化学习。在原理证明研究中，Colabrese等人[Phys.Rev.Lett.（2017）]使用这种方法来找出涡流中的微型游泳者如何在给定固定游泳速度的情况下尽可能快地向表面航行。游泳者在实验室框架中测量其瞬时游泳方向和局部流动涡度，并通过向左、向右、向上或向下游泳来对这些提示作出反应。然而，通常能动微生物测量局部流动而不是全局信息，并且它只能对局部流动做出反应，因为通常它不能访问全局信息（例如实验室框架中的向上或向下）。在这里，我们分析最优策略与本地信号和行动，不涉及实验室的框架。我们证明，为了以有意义的方式学习垂直迁移，需要打破沉默。使用强化学习，我们分析了微生物已知测量的不同环境线索集的新兴策略。
2021-04-22 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
Electrotaxis of self-propelling artificial swimmers in microchannels
本文研究活性液滴在微通道中的趋电行为，结合实验与流体动力学模型揭示电场、电泳及壁面作用如何诱导U形转弯和逆流轨迹转变。
2024-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Minimum Entropy Production by Microswimmers with Internal Dissipation
本文推导了包含外部与内部耗散的微型游泳者总耗散精确下界定理，并据此确定定体积下最小化耗散的最优形状，揭示主动游泳者与外驱粒子具有不同的熵产生基本极限。
2023-06-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Spontaneous assembly of colloidal vesicles driven by active swimmers
我们探讨了自组装过程中的胶体结构浸泡在活性浴。通过考虑低价粒子，我们数值研究了不可逆的聚集动力学起源于运行和翻滚的游泳者的存在。我们观察到长的封闭链的形成-囊泡-密集填充活跃的游泳者。一方面，活性浴驱动封闭胶体结构的自组装，另一方面，囊泡的形成促进了游泳者的自捕获，这表明了构建结构化纳米材料和捕获微生物的新方法。
2018-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Near and far-field hydrodynamic interaction of two chiral squirmers
水动力相互作用强烈地影响着微泳者的集体行为。在本文中，我们研究了两个自推进手征泳者在低雷诺数区域的行为，同时考虑了近场和远场的相互作用。我们使用的手征蠕动模型，一个非轴对称的表面滑移速度，它概括了著名的蠕动模型的球形体。我们计算了当游泳者彼此非常接近时，他们之间的润滑力。通过改变滑移系数和游泳者的初始构型，我们研究了他们的水动力行为。在存在润滑力的情况下，游泳者要么彼此排斥，要么表现出游泳者之间的距离周期性地改变的有界运动。在某些参数范围内，润滑力有利于有界运动。本研究有助于理解纤毛虫微生物密悬液和人工游泳者的集体行为。
2022-04-15 cond-mat.soft physics.bio-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
Hydrodynamics of a Micro-Hunter: Chemotactic Scenario
受细菌趋化性的启发，我们提出了一种可以游泳并找到目标的流体动力学分子级猎人。该系统本质上是一个随机的低雷诺数的游泳者，能够在二维空间中移动，并感测由目标发射的化学浓度的局部值。我们表明，通过调整的游泳者的几何和动力学变量，我们总是可以实现一个游泳者，可以导航和搜索的区域具有较高浓度的化学品从一个源发出。本文所讨论的系统也可以作为描述细菌趋化性的理论框架。
2010-09-29 cond-mat.soft q-bio.CB
Propulsion of a three-sphere micro-robot in a porous medium
Santa Clara University（圣克拉拉大学）；University of Hong Kong（香港大学）；The Open University（开放大学）
研究三球微机器人在多孔介质中的推进性能，发现其速度和效率因多孔介质的不渗透性而显著降低。
2024-02-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Large scale Micro-Photometry for high resolution pH-characterization during electro-osmotic pumping and modular micro-swimming
微流控泵以及人工微游泳者方便地实现利用泳动溶剂流量的基础上，局部梯度的温度，电解质浓度或pH值。在这里，我们提出了一种简便的微光度法监测pH梯度，并证明其性能和范围上不同的实验情况，包括电渗泵和模块化的微游泳者组装的离子交换树脂珠和聚苯乙烯胶体。结合目前的显微镜和DSLR相机，我们的方法在3920 × 2602 μm^2的视场内以视频帧速率提供了2 μm的空间分辨率。在最佳条件下，我们实现了约相等的贡献，统计和系统的不确定性的pH值为0.05的分辨率。我们的定量微光度表征的pH梯度的发展，在时间和达到几毫米预计提供有价值的输入可靠的建模和模拟的各种复杂的流动情况，涉及pH梯度，包括人工微游泳，微流体泵送，甚至电对流。
2017-10-18 cond-mat.soft
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
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
Distribution and pressure of active Lévy swimmers under confinement
已知许多活性物质系统在迁移或觅食时会进行Lévy行走。这种超扩散传输表明长程相关动力学。这些行为模式已经在微流体实验中观察到微游泳者，如细菌，其中高斯噪声假设不足以解释数据。我们引入\textit{active Lévy swimmers}来模拟这种行为。重点是理想的游泳者，只与墙壁相互作用，但不相互作用，这简化为经典的Lévy步行模型，但现在受到限制。我们研究的密度分布在通道和力施加在墙上的Lévy游泳者，其中的边界需要适当的显式处理。我们通过一组耦合动力学方程和游泳运动员的随机轨迹来分析更强的限制。以往的文献表明，幂律标度在自由空间的多尺度分析的分数扩散方程的结果。我们表明，在一个通道中，在弱限制主动Lévy游泳者由修改后的Riesz分数导数。利用最近的分数通量的结果，我们推导出稳态溶液的体积密度分布的活跃的Lévy游泳者在一个通道，并证明这些解决方案与粒子模拟吻合得很好。的配置文件是不均匀的，在整个域，在相反的常数在散装配置文件的活性布朗和运行和翻滚粒子。我们的理论提供了一个数学框架下的限制与滑动无通量边界条件下的Lévy行走，并提供了一个基础，相互作用的积极Lévy游泳运动员的研究。
2021-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluid transport and mixing by an unsteady microswimmer
我们研究了流体漂移，由于一个时间依赖的哑铃模型的微型游泳。该模型捕捉到的重要方面，如一个时间依赖性的鞭毛运动和一个无滑体的真正microswimmer。该模型由一个刚性的球体的身体和一个随时间变化的移动Stokeslet代表鞭毛。我们分析了理想化的流体粒子的路径由游泳者取代。该模型的简单性允许一些渐近计算非常接近和远离游泳者。靠近游泳者的颗粒的位移以类似于孤立的无滑移球体的方式发散，但是由于鞭毛的作用而具有较小的系数。远离游泳者，时间依赖性变得可以忽略不计，因为两者都非常快并且随着距离而衰减。最后，我们计算粒子位移的概率分布，发现我们的模型比以前的稳定模型有更胖的尾巴，由于存在一个无滑动表面，拖动粒子。
2016-07-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steering undulatory micro-swimmers in a fluid flow through reinforcement learning
这项工作的目的是寻找最佳的导航策略薄，可变形的microswimmer，在粘性流体中传播的正弦波动沿其细长的身体。这些活跃的细丝被嵌入在一个规定的，非均匀的流动，其中他们的游泳波动必须与漂移，应变和变形所造成的外部速度场竞争。游泳和导航紧密结合的这种复杂情况可以使用各种强化学习方法来解决。每个游泳者只能访问关于其配置的受限信息，并且必须相应地在有限集合中选择动作。然后，优化问题在于找到在给定方向上导致最有效位移的策略。据发现，通常的方法不收敛，这个陷阱被解释为一个综合的结果的非马尔可夫的决策过程中，连同高度混乱的性质的动态，这是负责学习效率的高变异性。尽管如此，我们还是提供了一种构建有效策略的替代方法，该方法基于运行几个独立的Q学习实现。这使得一组可接受的政策，其属性可以详细研究和比较，以评估其效率和鲁棒性的建设。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
