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
Defect-Mediated Aggregation and Motility-Induced Phase Separation in Self-Propelled Lattice-Gas Active XY Model
The University of Osaka（大阪大学）
本文提出一种活性XY模型，研究拓扑缺陷在活性物质系统中的作用，通过自推进参数控制粒子运动方向偏置，发现自推进诱导运动诱导相分离，粒子在正涡旋电荷缺陷周围聚集，负电荷缺陷则趋于耗散。
2026-04-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Selecting active matter according to motility in an acoustofluidic setup: Self-propelled particles and sperm cells
本文提出一种利用可调谐声流控陷阱按运动能力分选活性物质的新方法，高运动能力个体可逃逸，并通过模拟、自推进 Janus 颗粒和人类精子实验验证，可用于辅助生殖及其他活性系统分选。
2024-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Self-Propelled Rods: Linking Alignment-Dominated and Repulsion-Dominated Active Matter
我们研究了一个强大的自推进杆通过体积排阻相互作用的模型，并表明其集体动力学包括相应的Vicsek式模型（局部对齐是唯一的相互作用），和运动诱导的相分离（当排斥占主导地位时发生）。这些结果统一了迄今为止关于干活性物质的基本上互不相关的知识体系，并澄清了所涉及的各个相的性质。
2018-07-03 cond-mat.soft
Motility of \textit{Escherichia coli} in a quasi-two-dimensional porous medium
细菌通过密闭空间的迁移对于几种现象至关重要，如：生物膜形成，土壤中的细菌运输和细菌抗癌治疗。在目前的工作中，\textit{E. coli}（菌株K12-MG 1655 WT）的运动特性，通过记录和分析单个细菌的轨迹在模拟准二维多孔介质。通过在载玻片和盖玻片之间封闭与均匀的2.98 $μm$球形乳胶颗粒混合的细菌培养物样品来模拟多孔介质。通过改变胶乳颗粒浓度来控制介质的孔隙率。通过统计分析轨迹参数，如：瞬时速度和转向角，以及均方位移，我们能够量化不同乳胶颗粒浓度对细菌运动性的影响。为了更好地理解我们的结果，细菌的轨迹进行了模拟的现象学随机行走模型（开发专案），并与实验结果进行了比较。
2016-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Morphological transitions of active Brownian particle aggregates on porous walls
运动诱导的活性布朗粒子（ABPs）的壁聚集是一个很好的研究现象。在这里，我们研究了ABPs在多孔壁上的聚集，这使得颗粒能够以较大的运动性穿透。我们发现，活性聚集体经历了一个形态的过渡，从一个连接的致密相断开液滴的壁孔隙率和颗粒的自我运动性的增加，类似的润湿-去湿过渡平衡流体。我们表明，这两个形态不同的状态是稳定的，至少在某些参数区域的初始条件和独立。我们的分析表明，壁孔隙率的变化会影响聚集体的固有特性，并改变有效的壁-聚集体界面张力，与形态转变的外观一致。因此，密度以及取向分布的仔细分析表明，这种形态转变的根本原因不一定是特定于具有多孔壁的系统，并且可以通过调整限制壁的性质来观察更大类的受限的活性系统。
2020-10-12 cond-mat.soft
Design principles for transporting vesicles with enclosed active particles
我们使用粗粒度的分子动力学模拟研究的运动性的2D囊泡含有自推进杆，作为囊泡弯曲刚度和封闭杆的数量密度，长度和活动的函数。在杆长度的阈值以上，出现不同的动态机制，包括显著增强的囊泡运动性，其特征在于高度持久的随机游走。这些制度是由聚集的杆内的囊泡;最大的运动状态时，出现一个长寿的极性集群。我们开发了一个标度理论，预测的动力学制度作为控制参数的函数，并表明，活动和被动膜力之间的反馈控制杆组织。这些研究结果产生的设计原则，用于建设自行式上层建筑，使用独立的活性剂变形约束下。
2023-03-28 cond-mat.soft
Motility versus fluctuations in mixtures of self-propelled and passive agents
许多生物系统由自我运动和被动的代理人，这两者都有助于整体功能。然而，对这种混合物的性质的研究很少。在这里，我们制定了一个模型的自动和被动剂的混合物，并表明，该模型产生了三个不同的动力学阶段：一个无序的mesoturbulent阶段，一个极性植绒阶段，和一个涡旋阶段，其特征在于大规模的反向旋转的旋涡。我们使用数值模拟来构建相图，并比较自运动细菌悬浮液模型的不同阶段的统计特性。我们的研究结果提供了关于微生物和被动颗粒的相互作用的具体见解，并为人工活性物质的有效技术实现提供了新的战略指导。
2014-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Motility-Induced Phase Separation
自推进颗粒包括自泳合成胶体和各种微生物。通过不断消耗能量，它们绕过了平衡热力学定律。这些定律在热平衡中强化了玻尔兹曼分布：于是稳态与动力学参数无关。相比之下，自行推进的粒子倾向于在它们移动得更慢的地方积聚。由于生物化学或空间的原因，它们也可能在高密度下减慢。这产生了正反馈，其可以导致稠密流体相和稀流体相之间的运动诱导相分离（MIPS）。在梯度中的领先顺序，映射将可变速度、自推进的粒子与具有吸引力的被动粒子相关联。这种与平衡相分离的深层联系通过模拟得到了证实，但通常在梯度中的高阶上被打破：新的效应，没有平衡对应物，然后出现。我们给一个快速发展的MIPS领域的选择性概述，侧重于理论和模拟，但包括一个简短的投机性调查其实验意义。
2014-06-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Motility-induced crystallization and rotating crystallites
Aalto University（阿尔托大学）；Academy of Finland Center of Excellence in Life-Inspired Hybrid Materials (LIBER), Aalto University（芬兰科学院生命启发混合材料卓越中心（LIBER），阿尔托大学）；University of Münster（明斯特大学）
本文提出了一种更高阶的主动相场晶体模型，研究了运动诱导相分离与结晶的相互作用，并分析了旋转晶粒的形成机制。
2024-08-12 cond-mat.soft
A reentrancy of motility-induced phase separation in overdamped active Brownian particles
本文通过过阻尼活性布朗粒子模型研究运动诱导相分离的重入机制，发现团簇因自驱力局部空间平均产生的应力引发多重滑移变形，随佩克莱特数增大团簇失稳，从而抑制相分离。
2025-07-02 cond-mat.soft
'Fuelled' motion: phoretic motility and collective behaviour of active colloids
在过去的几十年里，设计微观和纳米级的自推进粒子并描述它们的运动已经成为一个重大的科学挑战。为此，泳动效应，即依靠局部场梯度的推进机制，一直是许多理论和实验研究的焦点。在这篇综述中，我们采用了一个教程的方法来介绍泳动的基本物理机制，并描述了不同的实验工作，导致基于这一原则的活性粒子的制造。我们还提出了在相互作用的活性胶体组件中观察到的集体效应，以及已用于描述泳动和流体动力相互作用的理论工具。
2021-04-08 cond-mat.soft
Colloidal Brazil nut effect in microswimmer mixtures induced by motility contrast
我们数值和实验研究的分离动力学在一个静态的周期性的三角形状的光强度场的二维基板上移动的微泳者的二元混合物。活性颗粒的运动性与施加的光强度成比例，并且它们具有运动性对比度，即，前因子取决于物种。此外，活性颗粒还经历使它们的运动朝向负强度梯度的方向对准的扭矩。我们发现一个隔离的活性粒子附近的强度最小值，其中通常一个物种是本地化接近最小值，另一个是集中在外壳。对于一个非常强的对齐扭矩，有一个精确的映射到一个平衡系统中的一个有效的外部潜力是最小的强度最小值。这种外部势类似于（依赖于高度的）重力，因此人们可以定义自推进粒子的有效“重量”。类比于重力作用下摇动的颗粒物质，如果较重的颗粒漂浮在较轻的颗粒之上，我们定义了一种“胶体巴西坚果效应”。使用广泛的布朗动力学模拟，我们确定系统参数的活性胶体巴西坚果效应发生和解释它的基础上广义阿基米德原理内的有效平衡模型：重粒子悬浮在一个稠密的流体中的轻粒子，如果他们的有效质量密度低于周围的流体。我们还进行了光激活的自推进胶体混合物，证实了理论预测的真实空间实验。
2019-01-29 cond-mat.soft
Aggregate morphology of active Brownian particles on porous, circular walls
我们研究了运动诱导的活性布朗粒子（ABPs）在多孔圆形壁上的聚集。我们观察到，静态壁上聚集的致密相的形态取决于壁的孔隙率，颗粒运动性和圆形壁的半径。我们的分析揭示了两个形态上不同的，致密的聚集体;一个连接的致密的集群，均匀地分布在圆形的墙壁和一个本地化的集群，打破了系统的旋转对称性。这些不同的形态状态是相似的宏观结构中观察到的平面，多孔壁聚集体。我们系统地分析了观察到不同形态状态的参数制度。我们进一步扩展我们的分析，以运动的圆环。我们发现，能动环推进几乎弹道由于由活性粒子施加的力时，他们形成一个本地化的集群，而它扩散移动时，活性粒子形成一个连续的集群。这个性质证明了从ABPs系统中提取有用功的可能性，即使没有人为破坏旋转对称性。
2020-10-04 cond-mat.soft
Kinetics of motility-induced phase separation and swim pressure
活性布朗粒子（ABPs）是一种活性物质的极小模型，它由具有纯排斥相互作用和旋转噪声的自推进球体组成。在这里，我们研究的压力ABPs在两个封闭的盒子和系统的二维周期性边界条件，并表明其密度的非单调行为是一个强大的功能，独立于系统的大小。我们相关的平均压力的时间演变对它的稳态值与动力学诱导相分离。对于相分离的稳定状态对应的参数值，我们确定两个动力学制度。在快速团簇形成的初始阶段，压力随时间单调增长，超过其稳定状态值，然后迅速放松到它，并在随后的较慢的团簇合并和粗化期间保持恒定。超调量是主动系统的一个显著特征。
2016-12-13 cond-mat.soft
Freezing a Flock: Motility-Induced Phase Separation in Polar Active Liquids
结合模型实验和理论，我们研究了极性活性物质的致密相，超出了传统的植绒图片。我们表明，以上的临界密度聚集自推进胶体逮捕他们的集体运动，失去他们的取向秩序，并形成固体，积极重新安排他们的局部结构，同时不断融化和冻结在其边界。我们建立了主动固化是一个一阶动力学转变：活性固体成核，生长，并慢慢粗化，直到完全相分离的极性液体，他们共存。然后，我们从理论上阐明了这种相行为，通过引入一个最小的流体动力学描述的致密的极性羊群，并表明，活性固体来源于运动诱导的相分离。我们认为，抑制集体运动的固体堵塞的形式是一个通用的功能，从运动的单位，降低他们的速度，密度增加组装的羊群，一个功能常见的一个广泛的类的活动机构，从合成胶体生物。
2019-03-04 cond-mat.soft
Motility and pair-wise interactions of chemically active droplets in 1-D confinement
本文实验研究方形毛细管中自推进 5CB 液滴的一维个体与成对运动，揭示 PEO、甘油等改变 Péclet 数时，约束诱导的化学场变化如何影响运动及追逐、散射等相互作用。
2024-01-20 cond-mat.soft
Wetting dynamics by mixtures of fast and slow self-propelled particles
我们研究主动表面润湿细菌的极小模型，考虑到生物物质的内在运动多样性。混合的“快”和“慢”的自推进布朗粒子被认为是在一个壁的存在。润湿层厚度的演变显示出一个过冲前的平稳性和其组成演变成两个阶段，平衡后，缓慢消除多余的颗粒。非单调的演变所示，产生从延迟雪崩向稀相结合的瞬态粒子前的出现。
2023-01-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-propelled Worm-like Filaments: Spontaneous Spiral Formation, Structure, and Dynamics
利用布朗动力学模拟方法研究了沿切向量均匀推进的蠕虫状细丝。在两个维度的系统进行了研究，相应的长丝吸附到界面或表面。一个大的参数空间，包括弱和强的推进，以及灵活和僵硬的细丝进行了探索。对于强力推进和柔性的细丝，自由游动的细丝自发地形成稳定的螺旋。推进力对动力学性质，如旋转和平移均方位移和构象采样率有很大影响。特别地，当主动自推进主导热扩散，但对于螺旋形成太弱时，旋转扩散系数具有由$v_c/ξ_P$给出的活动引起的贡献，其中$v_c$是轮廓速度，$ξ_P$是持续长度。相反，只要没有螺旋形成，结构性质几乎不受系统活动的影响。该模型模拟了生物系统的共同特征，如运动测定或细长细菌上的微管和肌动蛋白丝，以及人工设计的微游泳者。
2015-08-06 cond-mat.soft
Confinement and activity regulate bacterial motion in porous media
了解细菌如何在多孔介质中移动对于医疗保健，农业，环境修复和化学传感等应用至关重要。最近的研究表明，E.大肠杆菌在均匀介质中通过奔跑和翻滚动力学运动，当被限制在无序的多孔介质中时，它表现出一种新的运动形式：跳跃和捕获运动，其中细胞进行快速的定向跳跃，并被缓慢的无定向捕获的间隔所打断。在这里，我们使用直接可视化来阐明这些过程如何依赖于孔隙尺度限制和细胞活性。我们发现，跳跃是由孔隙尺度限制，是独立的细胞活动，相反，捕获是由孔隙尺度限制和细胞活动之间的竞争，如熵捕获模型预测。因此，这些结果有助于阐明调节多孔介质中细菌运动的因素，并有助于开发异质环境中运动的新模型。
2019-10-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Cooling mechanism controls motility-induced phase separation in inertial active liquids
Universidad de Sevilla（塞维利亚大学）；Sapienza University of Rome（罗马第一大学）；University of Camerino（卡梅里诺大学）；Istituto dei Sistemi Complessi - Consiglio Nazionale delle Ricerche（复杂系统研究所-国家研究委员会）；INFN, Sezione Roma2（意大利国家核物理研究所罗马第二分部）
本研究发现惯性作用通过冷却机制控制主动液体中的运动性诱导相分离，而非体积排斥，揭示了惯性主动物质与颗粒物理的联系。
2025-12-19 cond-mat.soft
Motility-Induced Pinning in Flocking System with Discrete Symmetry
University of Seoul（首尔大学）
研究揭示了在具有离散对称性的自驱动粒子系统中，运动诱导钉扎相变现象，通过蒙特卡洛模拟发现中间对齐相互作用强度下，极序呈现短程空间和时间特性，界面因粒子运动而钉扎，提出解析理论解释钉扎界面生长动态。
2024-09-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Velocity alignment promotes motility-induced phase separation
研究了在二维空间中运动的极性活性布朗粒子通过体积排斥和速度排列相互作用的相行为。我们结合粒子为基础的模拟的微观模型与一个简单的平均场动力学模型，以了解自推进磁盘的运动诱导相分离的速度对齐的影响。我们发现，随着对齐强度的增加，接近集体运动从下面的发病，取向相关性增长，使扩散重定向动力学较慢。因此，颗粒聚集成各向同性簇的趋势增强，有利于系统完全分层成低密度相和高密度相。
2018-07-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Inertial effects of self-propelled particles: from active Brownian to active Langevin motion
通过将能量转化为机械运动而自我推进的活性粒子代表了物理学和化学中不断扩展的研究领域。对于在液体中运动的微米级颗粒（“微泳者”），大多数基本特征已经用过阻尼主动布朗运动模型来描述。然而，对于在气体中移动的宏观颗粒或微粒，惯性效应变得相关，使得动力学是欠阻尼的。因此，最近，通过将主动布朗运动模型扩展到包括惯性的主动朗之万动力学，描述了具有惯性的主动粒子。在这篇透视文章中，总结了具有惯性的活性粒子（“微飞体”）的单粒子特性和许多粒子的集体效应的最新发展。其中包括：粒子速度和自推进方向之间的惯性延迟效应、由转动惯量对长时间自扩散的调谐、非惯性系中的虚拟力效应以及惯性对运动诱导相分离的影响。还提出和讨论了未来可能的发展和前景。
2019-10-30 cond-mat.soft
Dynamics of a deformable self-propelled domain
本文基于两个不同的二维模型系统，研究了单个自推进域的运动与变形之间的动力学耦合。一个是由一组常微分方程的重心和两个张量变量表征变形。另一种是主动细胞模型，它具有运动的内部机制，并表示为变形的偏微分方程。数值模拟显示了丰富多样的动态，其中一些是共同的两个模型系统。讨论了相似性和差异性的根源。
2010-03-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dispersion of motile bacteria in a porous medium
了解多孔介质中细菌的流动和运输对于生物修复、生物矿化或提高石油采收率等技术至关重要。虽然物理化学细菌过滤是有据可查的，但最近的研究表明，细菌运动在运输过程中起着关键作用。在含有随机放置的障碍物的微流控芯片中进行的流动和运输实验证实，非运动颗粒的分布保持紧凑，而对于运动菌株，分布的特征在于显著的保留以及快速的下游运动。对于能动细菌，对单个细菌轨迹的详细显微镜研究揭示了两个显著特征：（i）由能动性触发的主动保留过程的出现，（ii）由于固体颗粒附近的快速流动通道和低流动区域之间的交换而增强分散。我们提出了一个物理模型的基础上连续时间随机游走方法。这种方法占细菌分散通过可变的孔隙尺度流速通过马尔可夫模型的等距粒子速度。细菌的运动是由一个双速率捕获过程，占运动和主动捕获的障碍物建模。这种方法捕获了细菌位移分布观察到的前向尾部，并量化了增强的流体动力学分散效应，该效应起源于孔尺度流动和细菌运动之间的相互作用。该模型再现了实验观察结果，并预测在宏观尺度上的细菌扩散和运输。
2022-05-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Interface stability, interface fluctuations, and the Gibbs-Thomson relation in motility-induced phase separations
具有短程体积排阻相互作用的自推进粒子的极小模型已经显示出相分离的特征。在这里，我表明，所观察到的界面稳定性和波动的运动引起的相分离（MIPS）可以解释建模的活性颗粒在界面区域的微观动力学。此外，我证明了MIPS中的吉布斯-汤姆森关系的有效性，它提供了一个冷凝液滴的大小和周围的蒸汽浓度之间的函数关系。结果表明，MIPS在过饱和度消失时的粗化动力学在后期遵循经典的Lifshitz-Slyozov标度律。
2016-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Gliding filament system giving both orientational order and clusters in collective motion
活性物质由自驱动的元素组成，从生物系统到人工系统，都表现出迷人的集体运动。在众多的活性物质系统中，运动在分子马达草坪上的重组生物细丝通过纯粹的物理相互作用提供了理解生物运动的基本实验场。然而，到目前为止，在运动分析中出现有序模式需要多丝碰撞、耗尽剂或结合分子。因此，无论是简单的物理相互作用在碰撞过程中，如空间效应没有耗尽，也没有结合剂是足够的或不足以产生有序的模式，在运动性测定仍然难以捉摸。在这篇文章中，我们建立了一个运动检测纯粹由驱动蛋白马达和微管，其中的二元碰撞的频率可以控制，而不使用耗尽或结合剂。通过控制空间相互作用的强度和微管的密度，我们发现了不同的状态：无序状态，长程取向有序状态，类液-气相分离状态，以及它们之间的转换。我们发现碰撞中交叉和对齐事件之间的平衡控制着从无序到整体有序状态的转变，而过于强烈的空间位阻效应导致相分离的团簇。此外，在实验中观察到的宏观手征对称性破缺作为一个整体旋转的七阶可以归因于分子水平的手征性。数值模拟中，我们改变体积排斥强度重现这些实验结果。此外，它揭示了从长程排列到双谱带再到聚集的过渡。这项研究可能会提供新的见解，通过一个纯粹的物理相互作用的自驱动元素的动态排序。
2018-06-04 cond-mat.soft
Bacterial hopping and trapping in porous media
不同的过程-例如生物修复，生物施肥和微生物药物递送-依赖于无序的三维（3D）多孔介质中的细菌迁移。然而，由于典型的3D介质的不透明性，孔尺度限制如何改变细菌运动性是未知的。因此，移徙模型有限，而且往往采用临时假设。在这里，我们揭示了运行和翻滚运动的范例是显着改变多孔介质。通过直接观察单个大肠杆菌，我们发现细胞在孔隙空间中航行时会间歇性和短暂地被捕获，在长时间尺度上表现出扩散行为。陷阱之间的“跳跃”的捕获时间和长度分布广泛，让人想起在不同的其他无序系统的运输，然而，我们表明，这些数量可以一起预测的长时间细菌的翻译扩散。因此，我们的工作提供了一个修订后的图片细菌运动在复杂的媒体和收益预测细胞迁移的原则。
2019-05-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
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
Microscopic field theory for structure formation in systems of self-propelled particles with generic torques
我们推导出一个动力学场论的自推进粒子受到一般的扭矩和力显着粗粒化的微观动力学，由多体福克-普朗克方程描述。该模型包括诱导自转的固有转矩，以及导致例如粒子取向的局部对准的粒子间转矩。在这种方法中，虽然不需要指定成对相互作用的函数形式，但可以直接将场论的参数映射到基于粒子的模型的参数上。我们进行了线性稳定性分析的齐次解的场方程，并找到长波长和短波长的不稳定性。前者标志着宏观结构的出现，我们将其与运动诱导的相分离联系起来，而第二个标志着具有特征尺寸的有限结构的生长。内禀转矩阻碍相分离，将长波长不稳定性的开始推向更高的活性。此外，它们产生有限尺寸的结构，其特征尺寸与自推进速度和自旋转频率的倒数成比例。我们的研究结果表明，一个一般的机制可以解释为什么手征倾向于抑制运动诱导的相分离，而是促进非平衡模式的形成。
2022-04-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Statistical Mechanics and Hydrodynamics of Self-Propelled Hard Spheres
本文从自推进硬球的微观模型出发，利用非平衡统计力学和硬球动力学理论，导出了相互作用的主动布朗粒子的Smoluchowski方程。我们说明了实用的统计力学框架开发的两个应用程序。首先，我们推导出稳态的硬球活性流体的微观参数和第二，我们确定的临界密度在这个系统中的运动诱导相分离的发病。我们表明，这两个数量同意与过阻尼模拟的活性布朗粒子与排除体积相互作用的急剧排斥的潜力。这里提出的结果可以用来将排除体积效应在不同的自推进粒子模型。
2017-02-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Topological localisation and motility of active knots
SUPA, School of Physics and Astronomy（苏格兰物理与天文学超级学院）；Department of Physics and Astronomy, University of Padova and Sezione INFN（帕多瓦大学物理与天文学系及INFN分部）
研究活性环形聚合物中纽结类型对非平衡行为的定性影响，发现环面纽结去局域化膨胀而扭结收紧局域化，归因于切场的对称性差异，并揭示拓扑控制内禀动力学和涌现运动。
2026-06-29 cond-mat.soft
Percolation transition in phase separating active fluid
具有排斥相互作用的活性颗粒所表现出的运动诱导的相分离是众所周知的。我们发现，活性粒子的相互作用的柔软性不稳定的高度有序的致密相，导致形成一个多孔的集群跨越系统。如果颗粒运动性增加超过临界值，也可以实现这种\emph{soft limit}，在该临界值处，系统清楚地表现出标准渗滤转变的所有特征。我们还表明，在无热极限，活性粒子表现出类似的过渡，即使在低运动。有了这些新的相，排斥性活性粒子的相图显示出比以前设想的更丰富。
2022-08-22 cond-mat.soft
Phase separation of self-propelled disks with ferromagnetic and nematic alignment
我们提出了一个全面的研究模型系统的排斥自推进磁盘在两个维度的铁磁和超高速对齐的相互作用。我们表征了该系统的相行为作为对齐和自推进强度的函数，具有强对齐和运动诱导相分离（MIPS）在中等对齐但足够高的自推进的取向顺序。我们推导出这些系统的微观理论，产生一组封闭的流体动力学方程，从中我们对均匀无序状态进行线性稳定性分析。该分析预测了在存在调心扭矩的情况下的MIPS。连续介质理论的性质允许与基于粒子的模拟进行明确的定量比较，这一致地表明铁磁排列促进相分离，而非铁磁排列不会改变引起相分离的不稳定性的性质或位置。在铁磁情况下，这种行为是由于沿着不同取向的粒子碰撞数量的不平衡增加，从而引起粒子沿其自推进方向的自捕获。相反，对关联函数的各向异性，它编码这种自陷效应，是不显着的影响，由磁转矩。我们的工作表明，这种微观理论的预测能力，以描述复杂的活性物质系统与不同的相互作用的对称性，并揭示了运动诱导相分离的速度对齐相互作用的影响。
2021-10-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Symmetry-breaking motility of an active hinge in a crowded channel
本研究通过数值模拟分析拥挤通道中主动铰链的动力学，发现其运动寿命随堆积分数和自推进强度非单调变化，并存在构型突变，为设计可切换动力模式的颗粒超结构提供可能。
2025-06-20 cond-mat.soft
Collective Motion of Self-Propelled Particles with Memory
我们表明，记忆，在欠阻尼角动力学的形式，是一个至关重要的组成部分的集体性质的自推进粒子。使用Vicsek风格的模型与作用于角速度的Ornstein-Uhlenbeck过程，我们发现了丰富多样的集体阶段没有观察到在通常的过阻尼系统，包括涡旋晶格和活性泡沫。在一个严格相互作用的模型中，Vicsek波的近晶排列引起的全球极序观察。我们还提供了一个计算的电报噪声过程中发挥作用的情况下，涡之间的有效相互作用，从而解释这里观察到的涡格的出现和结构，并在运动性测定实验。
2018-09-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Motility-Induced Microphase and Macrophase Separation in a Two-Dimensional Active Brownian Particle System
作为非平衡力的结果，纯排斥性自推进颗粒经历浓相和稀相之间的宏观相分离。我们提出了一个深入的研究，这种动力学诱导相分离（MIPS）在两个维度的活性布朗粒子的有序动力学，我们表明，它是一般伴随着微相分离。密相的生长遵循类似于液-气相分离的规律。然而，它是由六角微区的马赛克，其尺寸不会无限粗化，留下一个扩展的拓扑缺陷的网络，从微观稀释气泡出现。这些有限尺寸结构的特征长度随活性而增加，与初始条件的选择无关。
2021-09-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Density-Independent transient caging in the high-density phase of motility-induced phase separation
Tokyo University of Science（东京科学大学）
研究发现高密度相中粒子移动存在瞬时笼状效应，揭示了运动诱导相分离与非平衡冻结之间的联系。
2026-02-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Motility-dependent selective transport of active matter in trap arrays: Separation methods based on trapping-detrapping and deterministic lateral displacement
本文提出基于陷阱阵列的两种活性物质分离方法：选择性逃逸与确定性侧向位移，通过数值模拟自驱动Janus粒子验证，适用于细菌、精子等生物微粒的高效分离。
2025-05-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Effect of motility on the transport of bacteria populations through a porous medium
通过在含有随机放置的柱的微流控芯片中跟踪数千个细菌，研究了活性对细菌在模型多孔介质中的流体动力学分散的作用。我们首先评估两个群体的运动和非运动的细菌在不同的流速注射的传播动力学。在这两种情况下，我们观察到，细菌覆盖的距离的平均值和方差随时间和流速线性变化，结果定性与标准的几何分散图片一致。然而，从数量上讲，与非运动细菌相比，运动细菌显示出系统性阻滞效应。此外，运动和非运动应变在流动方向上的行进距离分布的形状显著不同，因此探测显著不同的探测过程。对于非运动细菌，分布是高斯分布，而对于运动细菌，分布显示正偏度，并以指数方式向下游扩散，类似于伽马分布。详细的微观研究的轨迹揭示了两个显着的效果，其特征的探索过程中的能动细菌：（i）出现的“主动”的保留效果，由于延长勘探的孔隙表面，（ii）增强的传播在最前沿由于运输的细菌沿“快速通道”，在那里他们获得的速度大于当地的流速。最后讨论了这些效应在自然环境中微生物引起的大规模宏观迁移和污染过程中的实际应用。
2018-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Transition in swimming direction in a model self-propelled inertial swimmer
我们提出了一个互惠的，自推进模型游泳者在中间雷诺数（$Re$）。我们的游泳者由两个不相等的球体组成，它们反相振荡，产生非线性定常流（SS）。我们的计算表明，SS流使游泳者推进自己，并切换方向作为$Re$增加。我们量化的过渡在游泳方向上的崩溃我们的数据上的一个关键的$Re$，并表明，在游泳方向上的过渡对应的SS流的逆转。基于我们的研究结果，我们提出SS可能是运动在中间$Re$的一个重要的物理机制。
2018-11-07 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Collective behavior of self-propelled rods with quorum sensing
活性剂-如运动性测定中的泳动颗粒、细菌、精子和细胞骨架丝-显示出多种多样的运动性诱导的集体行为，如聚集、聚集和相分离。在生物膜形成过程中，泳动颗粒和细菌的致密悬浮液的行为由两种主要的物理机制决定：（i）体积排阻（短程空间排斥）和（ii）群体感应（由于局部化学环境的改变而导致的较长距离的减少的推进）。为了系统地表征这样的系统，我们研究半穿透自推进杆在两个维度上，与推进力，随着当地杆密度的增加，采用布朗动力学模拟。体积排斥和群体感应都导致相分离，然而，结构和杆动力学有很大的不同。群体感应增强了团簇的极性，诱导了团簇边缘的杆状细胞的非对称性，并增强了团簇形成。对于系统，其中杆在高密度下基本上变得被动，观察到星状和条纹的形成。与具有较小纵横比的杆相比，具有较大纵横比的杆系统显示出更有序的结构，这是由于它们具有更强的对齐，具有几乎圆形的星状结构，以获得强烈的密度依赖性推进力。随着群体感应相互作用范围的增大，局域密度减小，星状结构变得不稳定，并出现极性刺猬簇和具有结构域的簇。我们的研究结果表征结构的形成和动力学由于两个质量不同的相互作用机制，空间位阻和群体感应，这两个相关的工程泳微泳以及生物膜形成的细菌的竞争。
2018-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Clustering of Self-Propelled Triangles with Surface Roughness
自推进颗粒可以在称为运动诱导相分离的过程中从稀悬浮液自发地形成致密相。所形成的非平衡结构的性质由粒子相互作用的细节和活动的强度决定。到目前为止，对这些结构形成的大多数研究都集中在具有各种相互作用势的球形胶体、哑铃和棒状颗粒上。只有少数研究已经检查了更复杂的颗粒形状的集体行为。在这里，我们增加了几何复杂性，并使用分子动力学模拟来考虑由表面粗糙的三角形自推进粒子形成的结构。这些三角形要么向其顶点移动，要么向其底部移动，即，它们具有极性。我们发现，顶点定向三角形集群更容易，更稳定，并有一个更平滑的集群接口比他们的基地定向同行。两种极性之间的差异与[H. H. Wensink等人，E89，010302（R）（2014）]，然而，当涉及到聚类时，我们获得了相反的结果，即顶点定向的颗粒更容易聚类。我们进一步表明，减少表面粗糙度的基础导向结构的稳定性产生负面影响，这表明它们的形成在很大程度上是由于表面粗糙度。我们的研究结果奠定了坚实的基础，为未来的实验和计算研究粗糙度对游泳运动员的集体动力学的影响。
2016-09-07 cond-mat.soft
An Introduction to Motility-Induced Phase Separation
运动诱导的相分离，MIPS，可以说是发生在没有排列相互作用的活性物质（标量活性物质）中研究最充分的集体现象。它的起源很简单：由于自推进颗粒在它们缓慢移动的地方积聚，由于碰撞或化学相互作用，具有随密度急剧降低的足够大的推进速度，导致引起致密相形成的反馈回路。在这些笔记中，我将讨论一些主要的理论和计算的努力，在过去的十年中，在理解的基本结构和动力学性质的MIPS相共存的微观活性粒子模型。
2021-12-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Enhanced motility in a binary mixture of active nano/microswimmers
本文研究通过在二元混合物中将运动性从高活性客体物种传递给低活性宿主物种来提升纳米/微型游泳者的运动性，数值模拟显示宿主物种运动性最高可增强四倍，可应用于化学、生物和医学领域。
2020-04-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Arrested on heating: controlling the motility of active droplets by temperature
本研究提出一种利用温度敏感表面活性剂混合物作为推进燃料的自驱动液滴实验系统，实现了从非稳态到被阻留运动等热可控且可逆的动态状态，并在原位实验中观察到了驱动自泳运动的基本首次对称破缺。
2025-03-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Multiscale perturbative approach to active matter with motility regulation
University of Geneva（日内瓦大学）
本文提出了一种适用于干标量活性物质的粗粒化方法，基于逆柯尔莫戈洛夫方程的多尺度扰动展开，无需特定微观动力学，可研究不同运动调节形式，并扩展到非马尔可夫方向动力学。
2026-04-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The random walk of intermittently self-propelled particles
University of Potsdam（波茨坦大学）
本研究提出间歇自驱动粒子的动力学模型，推导其输运特征精确表达式及长时极限下扩散行为的出现条件，涵盖多种经典随机运动过程作为极限情形。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-Propelled Rods: Insights and Perspectives for Active Matter
广泛的实验系统，包括滑行，群集和游泳的细菌，体外运动性测定以及摇动颗粒介质通常被描述为自推进杆。这些实体的大量集合显示了各种各样的自组织集体现象，包括移动的极团、极和极动力带、迁移率引起的相分离、拓扑缺陷和中尺度湍流等的形成。在这里，我们给出了一个简短的调查的实验观察和审查的理论描述自推进杆。我们的重点是紧急斑图形成的合奏干自走棒受短程，接触介导的相互作用和他们的湿同行，也受到远程流体动力学流。总而言之，自推进棒提供了一个总体主题，涵盖了活性物质的许多方面，包含充分探索的限制情况。它们的集体行为不仅连接了已充分研究的极性自推进粒子和活性向列相分子的机制，包括活性相分离，而且还揭示了丰富多样的新模式。
2019-11-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active colloid with externally induced periodic bipolar motility and its cooperative motion
活性物质物理学是用各种类型的自推进粒子发展起来的，包括那些具有极性和双极运动性的粒子。然而，到目前为止，实验上实现的双极运动要么是随机的沿轴或周期性的固有频率。在这里，我们报告了另一种双极活性粒子，其周期性双极自推进是在一个可控的频率外部设置。我们使用了昆克辊--悬浮在导电液体中的电介质颗粒，由一个电场驱动--在一个交流电场下，而不是通常使用的直流电场下。实验上观察到单个粒子在外加频率下的往复运动，并从理论上将其描述为稳定的周期运动。在实验上，我们不仅观察到了往复运动，而且观察到了非平凡的类主动布朗粒子（ABP）的长时间持续运动。这导致了在零频率附近的洛伦兹谱，这不能通过将昆克辊的常规模型简单地扩展到AC场来解释。结果表明，在实验系统中考虑上下不对称性，可以再现类ABP运动。此外，我们发现一个旋转扩散系数远大于热的，也在以前的实验中，这可能是由于电极表面的粗糙度报告。我们还发现了自组织形成的小集群，如双峰和三重峰，并在其中的粒子的合作运动的特点。本文报道的交流昆克辊可作为双极活性物质的模型实验系统，值得进一步研究。
2022-07-14 cond-mat.soft
Motility-induced coexistence of a hot liquid and a cold gas
本研究通过过阻尼活性与惯性被动布朗粒子混合物的相分离，发现平衡系统中也可出现共存相的动力学温度差，密相可冷于或热于稀相，解答了非平衡气相能否冷于共存液相的问题并开辟新研究路径。
2024-03-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Active Brownian and inertial particles in disordered environments: short-time expansion of the mean-square displacement
我们考虑一个活跃的布朗粒子在无序的二维能量或运动景观。平均均方位移（MSD）的颗粒内的系统的短时扩展的解析计算。因此，对于过阻尼颗粒，外部随机力场和自推进速度的无序都引起弹道行为，增加了具有急剧自推进速度的活性颗粒的弹道状态。力和运动景观中的空间相关性仅对MSD的三次和更高阶幂有贡献。最后，对于惯性粒子的两个超弹道制度的MSD随时间的标度指数是$α=3$和$α=4$。我们通过计算机模拟证实了我们的理论预测。此外，它们在随机环境中的自推进胶体实验中是可验证的。
2021-04-30 cond-mat.soft
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
