Base flow decomposition for complex moving objects in linear hydrodynamics: application to helix-shaped flagellated microswimmers
微型游泳者在复杂流场中的运动是由游泳者推进力和流体速度场引起的动力学之间的相互作用决定的。在这里，我们研究的手征microswimmer的运动，其推进力是由一个螺旋形的尾巴相对于它的身体在一个简单的剪切流的自旋。由于一个有效的计算策略，使我们能够模拟数千种不同的轨迹，我们表明，尾巴的形状显着影响游泳者的运动。在剪切为主的制度，游泳携带椭圆螺旋尾巴显示几个不同的杰弗里（翻滚）轨迹取决于他们的初始配置。随着推进扭矩的增加，观察到运动的逐渐规则化，直到在推进主导的状态下，游泳者独立于初始配置收敛到相同的最终轨迹。总体而言，我们的研究结果表明，椭圆螺旋游泳者提出了一个更丰富的各种轨迹相对于通常研究的圆形螺旋尾巴。
2021-06-06 physics.flu-dyn
Efficiency of surface-driven motion: nano-swimmers beat micro-swimmers
表面相互作用提供了一类可用于推进微米和纳米尺寸颗粒的机制。我们调查的相关效率的外部和自我推进的游泳者。一个一般的缩放关系得出的结果表明，只有游泳者的大小相媲美，或小于，相互作用的范围可以有可观的效率。在最大功率下的效率的上限是1/2。扩散电泳的情况下的数值计算被发现是在良好的协议与解析表达式的效率。
2010-12-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Do Proximate Micro-Swimmers Synchronize their Gait?
在这段流体动力学视频中，我们展示了低雷诺数游泳者，如小杆线虫（C.）优雅的，同步他们的步态时，游泳在接近，以最大限度地利用空间。同步最可能的结果从空间位阻和提高推进速度只有边际。
2012-10-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Motility and rotation of multi-timescale microswimmers in linear background flows
本文针对一般线性平面流中的无惯性低效率微游泳体，通过多时间尺度简化控制方程，发现其动力学由两个衡量流场角速度与应变率平衡的参数组决定，平移运动特征仅由二者比值决定，由此建立了动力学的简单分类。
2025-04-02 physics.flu-dyn
Independent Control and Path Planning of Microswimmers with a Uniform Magnetic Field
人工细菌鞭毛（ABF）是一种磁性螺旋微游泳者，可以通过均匀旋转的磁场进行远程控制。先前的研究利用微泳者对外部磁场的异质反应来实现独立控制。在这里，我们介绍了分析和强化学习控制策略的路径规划的目标，由多个游泳者使用一个统一的磁场。两种算法的比较显示了强化学习在实现最小旅行时间到目标方面的优势。结果表明，第一次，有效的独立导航的现实微型游泳者与均匀磁场在粘性流场。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Bayesian uncertainty quantification for micro-swimmers with fully resolved hydrodynamics
由于具有完全解析的流体动力学的微型游泳者模型的计算复杂性，参数估计一直非常昂贵。在这里，我们描述了一个贝叶斯不确定性量化框架，是高度并行化，复杂的前向模型的参数估计易于处理。使用嘈杂的硅片数据的游泳运动员，我们证明了该方法的鲁棒性估计流体和弹性游泳参数。我们提出的方法允许分析的真实数据，并展示了潜在的参数估计为各种类型的微型游泳者。更好地了解弹性微结构在粘性流体中的运动可以帮助开发用于生物医学应用的人工微游泳者，并对允许某些运动模式的参数范围有基本的了解。
2019-10-26 cs.NA math.NA physics.bio-ph
Far-field approximations for multi-timescale microswimmers near a boundary
University College London（伦敦大学学院）；University of Oxford（牛津大学）
通过多尺度分析将高阶流奇点纳入最小力偶极子模型，系统考虑形状和奇点强度的快速振荡，发现时间依赖性扩展了参数空间并产生三种行为：碰撞、逃逸和悬停。
2026-06-09 physics.flu-dyn
Alignment of elongated swimmers in a laminar and turbulent Kolmogorov flow
许多水生微生物能够游泳。在自然环境中，它们通常在存在流动的情况下这样做。近年来，已经表明，游泳和流动的相互作用可以引起有趣的和生物学相关的现象，如微生物在特定流动区域的积累和与流动特性的局部对齐。在这里，我们考虑一个机械模型细长microswimmer在Kolmogorov流，一个原型剪切流，在稳定和湍流条件下。通过直接数值模拟，在一个简化的随机设置的分析计算的支持下，我们发现，与当地的速度游泳方向的对齐是一个普遍的现象。我们还探讨了如何积累的微生物，通常在稳定的流动中观察到的，是由不稳定的波动的存在下修改。
2022-07-19 physics.flu-dyn
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
Hydrodynamics of flagellated microswimmers near free-slip interfaces
本文用边界元法求解Stokes方程，研究了鞭毛微生物在平面自由滑动面附近游动时的流体动力学。取决于初始条件，游泳者可以从自由滑动表面逃脱或与边界碰撞。有趣的是，这种微生物并没有表现出稳定的轨道。与逃逸或吸引界面无关，靠近自由滑动表面，游泳者遵循逆时针轨迹，与实验发现一致，[15]。流体动力学确实是由自由表面修改。事实上，当同一个游泳者靠近一个无滑动壁时，存在一组初始条件，这些条件导致稳定的轨道。此外，当靠近自由滑动或无滑动边界移动时，游泳者相对于其轨迹采取不同的取向。总之，这些结果有助于揭示接近液-气界面的微生物的流体动力学行为，这与好氧细菌的界面生物膜的形成有关。
2017-03-30 physics.flu-dyn
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
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
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
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
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
An elastic two-sphere swimmer in Stokes flow
由于斯托克斯方程的运动学可逆性，在牛顿流体中以低雷诺数游泳仅通过非互易体变形是可能的。我们认为在这里的模型游泳者组成的两个链接的领域，其中一个领域是刚性的和其他不可压缩的neo-Hookean固体。这两个球体由一根周期性地改变其长度的杆连接。我们发现，身体的变形是非可逆的，尽管可逆的驱动，因此，弹性的两个球体的游泳者向前推进。我们的研究结果表明，即使是微弱的弹性形变的身体可以影响运动，并可能在设计人工微型游泳者。
2017-03-05 physics.flu-dyn
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
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
Gyrotactic swimmers in turbulence: shape effects and role of the large-scale flow
我们研究的动力学和统计的稀释悬浮液的回旋泳，许多水生运动微生物的模型。通过对不同雷诺数下的纳维-斯托克斯方程进行大量的数值模拟，我们研究了优先采样和小尺度聚集随游动参数（稳定性和速度）和形状参数的变化，特别考虑了球形和棒状颗粒的限制。虽然球形游泳者优先采样当地的下降流，对于细长的游泳者，我们观察到从下降流到上升流区域在足够高的游泳速度的过渡。球形和细长的游泳者的空间分布被发现是分形在小尺度上在广泛的游泳参数。不同形状之间的直接比较表明，球形游泳者更群集在小的稳定性和速度的数字，而大值的参数细长细胞集中。我们的研究结果在海洋中浮游植物游泳的相关性进行了简要讨论。
2021-04-10 physics.flu-dyn
Shape matters: A Brownian microswimmer in a channel
研究了二维固定速度的微型游泳体的主动布朗粒子（ABP）模型，其游泳方向按布朗过程变化。游泳者的概率密度根据在配置空间上定义的Fokker-Planck方程演化，其结构取决于游泳者的形状、旋转中心和游泳域。我们在位形空间的边界处强制零概率通量。我们推导出一个减少方程的游泳者在一个无限的通道中，在小的旋转扩散率的限制，并发现不变的密度强烈依赖于游泳者的精确形状和旋转中心。我们还给出了一个公式的平均逆转时间：预期的时间为一个游泳者完全扭转方向的渠道。利用均匀化理论，我们找到了一个有效的纵向扩散率的游泳者在通道中的表达，并表明，它是有界的平均逆转时间。
2020-06-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Periodic and Quasiperiodic Motion of an Elongated Microswimmer in Poiseuille Flow
本文研究了不同几何形状的长球形微游泳体在Poietille流中的动力学行为。当在两个平行板之间或在圆柱形微通道中移动时，游泳者执行周期性摆动或周期性翻滚运动。虽然球形和细长游泳者的轨迹在性质上是相似的，但摆动和翻滚的频率强烈地取决于游泳者的长宽比。在对称性降低的通道中，游泳者进行准周期运动，我们明确地证明了在椭圆截面的通道中游泳。
2012-07-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
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
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
Gyrotactic swimmer dispersion in pipe flow: testing the theory
微泳者的悬浮是迷人的新流体力学的丰富来源。最近，我们预测了旋转定向微藻的主动管流分散，其方向受到重力和流动剪切的影响。分析理论预测，这些积极的游泳者分散在一个显着不同的方式从被动示踪剂（泰勒分散）。分散游泳者显示非零漂移和有效扩散率，这是非单调的P $é$ clet数。这样的预测与数值模拟相一致，但迄今为止还没有经过实验检验。在这里，为了便于比较，我们获得新的解决方案的轴向分散理论占游泳者负浮力和当地的非线性响应的游泳者剪切，提供了两个替代微观随机描述。我们获得了新的预测悬浮液的模型游泳的patient $\it Dunaliella\,salina$，其运动性和浮力质量，我们parametrise使用跟踪视频显微镜。然后，我们提出了一种新的实验方法来测量回旋色散使用荧光染色$\it D. salina$，并提供了一个初步的比较与预测的非零漂移以上的平均流量为每个微观随机描述。最后，我们提出了进一步的实验，一个完整的实验特性的回旋分散措施，并讨论了我们的研究结果的影响藻类分散在工业光生物反应器。
2017-03-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Modelling and controllability of the motion of a slender, flexible micro-swimmer
Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院）
本文提出一种新型运动模型，用于描述低雷诺数条件下柔性微型游泳器的运动，通过分析其形状和速度，推导出其平动和旋转速度的表达式，并展示了其可控性结果。
2018-03-21 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Mixing by Swimming Algae
在这个流体动力学视频中，我们展示了被动示踪粒子在游泳微藻，莱茵衣藻悬浮液中的微尺度混合增强。这些双鞭毛、单细胞真核生物（直径10微米）以大约100微米/秒的速度以鞭毛的“蛙泳”拉动运动游动，并表现出不均匀的轨迹形状。荧光示踪颗粒（2微米直径）使我们能够量化的游泳者，这是有关悬浮饲料和生物源混合所造成的增强混合。在没有泳者存在的情况下，示踪粒子仅由于布朗运动而缓慢扩散。随着浓度的增加，示踪剂位移的概率密度函数（PDF）发展出强指数尾，高斯核加宽。高速成像（500赫兹）的示踪剂-游泳者的相互作用表明鞭毛跳动的重要性，在创造振荡流，超过布朗运动约5细胞半径的游泳者。最后，我们还显示了可能的合作运动和游泳藻细胞之间的同步的证据。
2009-10-07 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
Shear induced migration of microswimmers in pressure-driven channel flow
我们研究了剪切诱导迁移的microswimmer（主要是，活跃的布朗粒子或ABP的）在一个平面Poiffille流。对于由$U_b/HD_r \ll 1$表征的宽通道，表征游泳者定向动力学的时间尺度之间的分离（O（$D^{-1}_r$）的）和那些表征跨通道迁移的（O（$H^{2}D_r/U^{2}_b$））的方程，允许使用多尺度方法来导出游泳者浓度分布的漂移扩散方程;这里，$U_b$是游泳速度，$H$是通道半宽，$D_r$是游泳者旋转扩散率。稳态浓度分布是佩克莱数、$Pe = U_{f}/(D_r H)$（$U_f$是通道中心线速度）和游泳者纵横比$κ$的函数。在$1 \ll \textit{Pe} \ll κ^3$（$Pe\sim$ O（1））状态下，具有$ κ\gg 1$（具有$ κ\sim$ O（1））的游泳者向通道壁迁移，对应于高剪切捕获行为。然而，对于$Pe \gg κ^3 $（对于$κ\sim$ O（1）为$Pe \gg $ 1），游泳者向中心线迁移，对应于低剪切捕获行为。有趣的是，在低剪切捕获制度，游泳者与$κ< 2$渐近线的$Pe$独立的浓度分布的大$Pe$，而那些与$κ\geq 2$表现出“中心线崩溃”的$Pe \to \infty$。通过朗之万模拟验证的低剪切捕获的预测是最近实验观察的第一个解释[Barry $\textit{et al}$。（2015）]。我们…
2019-06-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dumb-bell swimmers
我们调查的方式，振荡哑铃，一个简单的微观模型的非极性游泳者，移动在低的阿氏数。根据珀塞尔的扇贝定理，一个单独的哑铃不能游泳，因为它的行程是时间的倒数。然而，两个或多个哑铃的运动，具有相互的相位差，不是时间反演不变的，因此游泳是可能的。本文利用Stokes方程的解析解和数值解计算了两个哑铃游泳者之间的水动力相互作用，并讨论了他们的相对运动。游泳运动员之间的相互作用的合作效果进行了探讨，考虑第一次定期，然后随机阵列的哑铃。我们发现，一个正方形阵列作为一个微型泵。长时间的行为暂停哑铃的调查和比较模型极地游泳运动员。
2008-05-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Accumulation of motile elongated micro-organisms in turbulence
我们研究的影响，湍流对海洋生物进行数值模拟的能动微生物，建模为长球体，在各向同性均匀湍流。我们发现，在层流，线性剪切和涡流中观察到的集群和斑块，显着减少在三维湍流，主要是因为复杂的拓扑结构;细长的微生物体显示出一定程度的集群的情况下，游泳者没有任何优惠的对齐，而球形游泳者保持均匀分布。具有一个优先游泳方向（例如回转）的微生物如果是球形的，仍然显示出显著的聚集，而长形游泳者仍然分布更均匀。由于它们对局部剪切的大的敏感性，这些细长的游泳者对涡度和重力的作用的反应较慢，因此没有时间在湍流中积累。这些结果表明，纯粹的流体动力学效应如何改变微生物的生态，从而改变它们的形状和优先方向。
2013-11-13 physics.bio-ph 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
Synchro-nematic and -antinematic ordering of spheroidal circle swimmers
University of Hawai’i at Mānoa（夏威夷大学马诺阿分校）
研究手性游动者集体排列，用动力学理论分析其内在旋转等相互作用，揭示单个游动者形状和驱动各向异性如何决定结果，发现不同同步态致集体相，如同步向列/反同步向列序等
2026-07-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Modeling straight and circle swimmers via immersed boundary methods: from single swimmer to collective motion
本研究提出基于浸没边界法的三珠微型游动者极简模型，可实现直线与圆周游动，探究了双游动者散射及仅靠流体动力相互作用的多游动者复杂集体动力学。
2024-07-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
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
Stochastic resonance on the transverse displacement of swimmers in an oscillatory shear flow
自我推进的微生物，如单细胞藻类或细菌，相对于流体速度沿着它们的方向游动。在稳定的剪切流下，指向矢在闭合轨道上旋转，这是一种在振荡剪切流下保持的周期性结构。如果剪切流受到微通道中的小不规则性或附近的其他游泳者产生的小波动的影响，则指向矢动力学变得随机。游泳者运动的数值积分表明存在随机共振：对于有限的噪声强度，涡量方向上的位移最大化。这种横向位移共振时，观察到的位移是粗粒度的几个时期，虽然导演是优先沿流动方向。共振噪声强度与振荡频率成正比，与剪切速率无关。增强的位移会影响游泳者的横向扩散和悬浮液的流变性。
2012-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Simulations of Brownian tracer transport in squirmer suspensions
除了能够向具有有利生活条件的环境移动外，微生物的游泳也与其种群的混合和营养吸收的改善有关。实验研究表明，布朗示踪粒子由于游泳者而表现出增强的扩散，而理论模型将这种扩散的增加与游泳微生物产生的流动以及与游泳者的碰撞联系起来。在这项研究中，我们进行了详细的模拟的基础上的力耦合方法及其最近的扩展游泳和布朗粒子研究示踪剂的位移和有效示踪剂的扩散蠕动悬浮液。通过隔离效应，如流体动力学或空间相互作用，我们提供物理洞察示踪剂位移分布的实验测量。此外，我们将结果扩展到半稀释制度，其中游泳者-游泳者相互作用影响示踪剂运输和有效示踪剂扩散率不再与游泳者体积分数呈线性关系。
2017-11-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Optimal shapes of artificial bead-spring micro-carriers at low Reynolds numbers
基于微珠的微游泳者是用于微尺度有效载荷递送的有前途的系统。然而，其最佳设计的基本原则尚未完全理解。在这里，我们研究一个简单的装置，由三个任意形状的珠子连接两个弹簧。我们分析确定最有利的正弦驱动的运动学参数，并显示如何游泳者的变化，从推到拉。对于承载货物的椭球形珠子，我们在恒定的总体积或表面积的约束下进行几何优化，目的是最大限度地提高设备的运输速度和效率。有趣的是，我们确定了两个主要的运输制度，这是从游泳者所面临的弹性和阻力之间的竞争。我们构建了一个相图，表明当最快的游泳出现，因为最小化的阻力，当由于提高了相互作用的珠子。
2014-02-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Enhanced velocity fluctuations in interacting swimmer suspensions
一个稀释的非相互作用悬浮液的微型游泳者表现出有限的速度方差和短程相关性，衰减在游泳者的长度。然而，对于相互作用的直线游泳者的悬浮，成对相互作用导致非衰减的速度协方差，以及随系统大小呈对数发散的方差。的分歧逮捕列入方向去相关机制。运行和翻滚粒子（RTPs）的悬浮液的结果，其中潜在的直泳发散导致广泛的跨越之间的弹道和扩散制度，沉浸被动示踪剂，在长期运行长度的限制。我们的分析解释了长期以来的实验观察的体积分数依赖的交叉时间被动示踪剂动力学。
2019-12-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
3-D Printed Swimming Microtori for Cargo Transport and Flow Manipulation
经过数十亿年的进化，微生物掌握了独特的游泳行为，以在复杂的流体环境中繁衍生息。到目前为止，纳米纤维的局限性阻碍了设计和编程具有相同能力的合成游泳者的能力。在这里，我们使用纳米级3D打印对人工游泳者的多行为反应进行编码，例如微观的自推进tori。我们从实验和理论上证明了圆环面在磁场作用下在两种主要的游动模式之间连续过渡。Tori还可以操纵和运输其他人造游泳者、纳米棒以及被动胶体颗粒。在第一种行为模式中，环面积累和运输纳米棒;在第二种模式中，纳米棒沿着环面的自生流线排列。我们的研究结果表明，这种形状程序化的微泳者有可能操纵生物活性物质，例如细菌或细胞。
2020-04-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Low-Reynolds number swimming in a capillary tube
本文用边界元法研究了球形模型微生物在圆管中的低雷诺数运动。游泳者在半径与游泳者大小相当的管中通过切向或法向表面运动推进自身。流体动力学与管壁的相互作用显着影响的平均游泳速度和功耗的模型微生物。在平行于管轴游泳的情况下，运动速度总是降低（分别为）。增加）的游泳运动员与切线（分别）。正常）变形。在所有情况下，游泳所需的工作率都因禁闭而增加。游泳者没有力偶极子在远场一般遵循螺旋轨迹，仅引起流体动力学与管壁的相互作用，并在定性协议与最近的实验观察草履虫。拉力类型的游泳者总是在一个取决于其力偶极子强度的位置上表现出稳定的运动：具有弱偶极子（小α）的游泳者在管中心游泳，而具有强偶极子（大α）的游泳者在管壁附近游泳。相比之下，推进式游泳者和那些采用正常变形的人是不稳定的，最终会撞到管壁上。类似的动态观察到游泳到一个弯曲的管。这些结果可能是相关的未来设计的人工微泳在有限的几何形状。
2013-04-29 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Stirring by Periodic Arrays of Microswimmers
游动微生物或人工自推进胶体与流体中的被动（示踪剂）颗粒之间的相互作用导致示踪剂的扩散增强。这种增强引起了人们的强烈兴趣，因为它可能导致新的策略来解决微流体规模上的混合难题。大部分的理论工作都集中在示踪剂和游泳者之间的流体动力学相互作用的散装流体。然而，在模拟中，周期性的边界条件（PBCs）往往施加在样品和流体。在这里，我们从理论上分析了PBCs对示踪粒子和微泳者之间的流体动力学相互作用的影响。我们制定了埃瓦尔德和领先的顺序产生的应力波奇异性的游泳者探测PBCs示踪剂轨迹的效果。我们发现，引入周期性的系统有一个令人惊讶的显着效果，即使是相对较小的游泳者示踪分离。我们还发现，体积限制只达到非常大的系统尺寸，这是具有挑战性的模拟与大多数流体动力学求解器。
2017-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
State diagram of a three-sphere microswimmer in a channel
在软物质系统中经常遇到几何约束，特别是显著改变粘性介质中游动微生物的动力学。表面对微泳者运动的影响可以在许多生物系统中导致重要的后果，例如生物膜形成、细菌粘附和微生物活性。基于低雷诺数流体动力学理论，研究了三球微游泳器在狭缝通道约束下的状态图，全面描述了中性游泳者、拉式和推式游泳者的游泳行为和运动轨迹.虽然推动者总是最终被困在通道壁处，但中性游泳者和拉动者可以进一步执行滑行运动并保持沿着通道的稳定航行。我们发现，由此产生的动力系统表现出超临界干草叉分岔，其中游泳的中间平面变得不稳定超过过渡通道的高度，而两个新的稳定的极限环或不动点，是对称设置的相对于通道的中间高度出现。此外，我们表明，平均游泳速度和旋转速率在一个通道中的准确描述可以捕获分析使用的方法的流体动力学图像，只要游泳者的大小是远远小于通道的高度。
2018-05-10 physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
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
Swimmer dynamics in externally-driven fluid flows: The role of noise
本文从理论上研究了在外部驱动的流体流动中，流体动力学输运障碍物附近细长微泳者运动的随机涨落效应。聚焦于二维双曲线流，我们考虑平移和旋转扩散以及翻滚的影响，即在游泳者方向的突然跳跃。无论扩散或翻滚是波动的主要来源，我们发现，噪音显着增加的概率，游泳者越过单向障碍的流动，阻止游泳者返回到其初始位置。我们采用渐近方法计算的概率密度的噪声游泳者的轨迹在一个给定的流体流，产生的解决方案，随时间变化的福克-普朗克方程在弱噪声限制。这个过程反映了量子力学中的半经典近似，同样涉及计算从游泳者的福克-普朗克方程导出的哈密顿系统的最小作用路径。使用半经典的技术，我们计算（i）的稳态取向分布的游泳者与旋转扩散和翻滚和（ii）的概率，扩散游泳者越过单向障碍。半经典的结果与蒙特卡罗计算相比毫不逊色。
2021-11-22 cond-mat.stat-mech nlin.CD 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
A low-Reynolds-number treadmilling swimmer near a semi-infinite wall
研究了具有半无限无滑移壁面的二维无界区域中的微游泳器的运动行为。壁也可以被视为插入流中的探针或移液管。我们解决了控制的演化方程的解析形式和数值计算几个不同的初始位置和方向的游泳者的轨迹。然后，我们计算出生物体能够逃离壁附近的概率。我们发现，在一个'楔'周围的墙壁的许多轨迹很可能逃脱。这表明，将探针或移液管插入生物悬浮液中可能会推开游动的游泳者。
2011-04-01 nlin.CD physics.bio-ph physics.flu-dyn
Upstream swimming in microbiological flows
微生物与其复杂的流动环境之间的相互作用在许多生物系统中是必不可少的。我们开发了一个模型，在非牛顿Poiffille流中的微游泳者动力学。我们预测，在剪切增稠（变稀）流体中的游泳者向上游迁移更快（少）比在牛顿流体中，并证明粘弹性的正应力差异重新定向游泳者，使他们向上游迁移的中心线，相反，众所周知的静态牛顿流体中的边界积累。基于这些观察，我们提出了一种通过游泳速度选择微生物的分选机制。
2015-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
