Using neuronal models to capture burst and glide motion and leadership in fish
本文结合FitzHugh-Nagumo神经元动力学模型与鱼类运动模型，提出一种社会性突发与滑行运动模型，成功捕捉了小鱼群的丰富游动动力学和领导力切换机制，并给出了可经验测试的预测。
2023-04-03 physics.bio-ph q-bio.NC q-bio.PE
Boundary induced convection in a collection of polar self-propelled particles
我们研究了一组局限于一个长的二维通道的极性自推进粒子。我们写出了密度和极化序参量的耦合流体力学运动方程。在两个有限的边界，密度是固定的平均值和方向是反平行的固定幅度的偏振。这样的边界条件使我们的系统类似于自推进粒子的剪切悬浮液，这具有许多实际应用。在两个受限边界处的反平行对齐和通道内的对齐产生沿着通道的长轴的取向卷。对于零自推进速度，密度和取向场是解耦的，并且密度在通道内保持均匀。对于有限的自推进速度，密度不均匀性发展，这些辊沿通道的长轴移动。密度不均匀性随着自推进速度的增加而急剧增加，然后达到最大值，并在非常大的速度下再次减小。卷的形成非常类似于流体动力学中的经典Rayleigh-Benard对流问题。
2017-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Spontaneous Segregation of Self-Propelled Particles with Different Motilities
我们使用布朗动力学模拟在两个维度上研究了自推进和被动棒状粒子的混合物。模拟结果表明，这两个物种自发地分离产生一个丰富的阵列的动力域结构，其属性取决于推进速度，密度和组合物。除了提出相图作为系统参数的函数，我们调查的机制驱动隔离。我们发现，自推进和被动杆之间的碰撞频率的差异提供了一个驱动力的隔离，这是放大的自推进杆的倾向，群集或集群。最后，自推进和被动棒表现出巨大的数字波动足够的推进速度。
2011-10-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-Propelled Rods near Surfaces
我们研究的行为，自推进的纳米和微米棒在三维空间中，限制在两个平行的墙壁，通过模拟和缩放参数。我们的模拟包括热涨落和流体动力学相互作用，这两者都是相关的动力学行为在纳米到微米的长度尺度。为了研究流体动力学相互作用的重要性，我们还进行了类似布朗动力学的模拟。在这两种情况下，我们发现，自推进棒显示出强大的表面过剩的局限的几何形状。半柔性聚合物的类比推导出的比例关系的依赖于壁的距离，杆的长度，和推进力。模拟数据证实了缩放的预测。
2009-01-14 physics.bio-ph
Collective behavior of penetrable self-propelled rods in two dimensions
自推进粒子的集体行为在运动性测定中在微尺度上观察到游泳者如精子和细菌以及蛋白质细丝。这类系统的性质既取决于它们的维数，也取决于它们粒子之间的相互作用。我们引入了一个二维自推进杆模型，该模型通过分离位移的伦纳德-琼斯势相互作用。由于有限的势垒，棒能够交叉。这个模型使我们能够有效地模拟系统的自推进杆，有效地在二维移动，但偶尔可以逃脱到第三维，以通过对方。我们的准二维自推进粒子描述了一类活跃的系统，其中包括microswimmer靠近墙壁和细丝推进基板上。利用蒙特卡罗模拟，我们首先确定了被动棒的各向同性相变。使用布朗动力学模拟，我们的特点团簇形成的自推进棒作为一个功能的推进强度，噪音，和能量障碍。与具有无限势垒的棒相反，推进强度的增加不仅有利于对准，而且有效地降低了阻止棒交叉的势垒。因此，我们找到了一个集群窗口，在中等推进强度的最大集群大小。
2014-01-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A geometric approach to self-propelled motion in isotropic and anisotropic environments
我们提出了一个几何的角度来描述运动的自推进粒子在d维匀速运动。我们利用的事实，即传达粒子的运动方向的矢量执行随机行走的$(d-1)$维流形。我们表明，粒子进行各向同性扩散的d维，如果流形对应于一个超球。相比之下，我们发现，自推进粒子表现出各向异性扩散，如果这个流形对应于一个变形的超球体（例如椭圆）。这种简单的方法提供了一个统一的框架来处理各向同性以及各向异性扩散的粒子以恒定的速度在任何维度上移动。
2016-05-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Run-and-Tumble Dynamics of Self-Propelled Particles in Confinement
奔跑翻滚动力学是一种广泛存在的游动细菌机制。在二维和三维空间低密度极限条件下，从理论上和数值上研究了不透水表面附近翻滚运动的微型游泳者的积累。单峰和指数分布的运行长度被认为是。与{指数分布的游程长度}相反，恒定的游程长度导致表面附近颗粒的密度分布中的{峰值和耗尽区域}。最后，我们提出了一个普遍的积累规律，为大通道宽度，这不仅适用于运行和翻滚的游泳者，但也适用于许多其他类型的自推进粒子。
2015-03-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Lattice Boltzmann study of chemically-driven self-propelled droplets
我们数值研究了自推进液滴的行为，其运动是由一个Marangoni样流触发。后者是由影响液滴表面张力促进其运动的表面活性剂浓度的变化产生的。在本文中，采用了第三个两亲性组分的液滴模型。动力学方程采用Navier-Stokes方程和对流扩散方程描述，数值求解采用格子玻尔兹曼方法和有限差分格式。我们专注于两个案例。首先研究了孤立液滴的自推进，然后研究了两个自推进液滴的相互作用。在这两种情况下，当表面活性剂向界面迁移时，在液滴内部形成速度场的四极涡并引起运动。相反，当表面活性剂主要在本体中稀释时，出现较弱的偶极场。两个相互作用的液滴的动力学更加复杂，并且强烈地依赖于它们的相互距离。如果在正面碰撞中，液滴足够接近，速度场最初会吸引它们，直到达到静止的稳定状态。如果液滴垂直移动，则流体动力场导致初始相互吸引，随后是沿相反方向的散射。这种流体动力学相互作用于一些液滴半径的分离，否则它变得可以忽略不计，并且液滴运动仅由Marangoni效应驱动。最后，如果液滴之一是被动的，则后者通常由主动液滴产生的流体流平流输送。
2017-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamical Self-regulation in Self-propelled Particle Flows
本文研究了二维过阻尼自推进粒子的连续介质模型。通过分析和数值计算相结合的工作，我们绘制了通用参数的相图。我们发现，该系统自组织成两个强大的结构，在不同的区域的参数空间：孤立波的有序群移动通过一个低密度的无序背景，和固定的星。流动的自调节性质产生相分离，在这类系统中普遍存在，并控制孤波的形成。自推进和相关的活跃对流在星的形成中起着至关重要的作用。我们工作的一个新结果是一个相图，以统一的方式显示这些不同的制度。
2011-12-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stability of milling patterns in self-propelled swarms on surfaces
在一些物理和生物群体中，代理人有效地沿着弯曲的表面移动和相互作用。相关的约束和对称性可以影响集体运动的模式，但很少有人知道的模式的稳定性存在的表面曲率。为了取得进展，我们使用拉格朗日力学构建了一个自推进的群体在表面上移动的一般模型。我们发现，自推进，摩擦，相互吸引和表面曲率的组合产生铣削模式，每个代理在一个群体中振荡的极限环，与不同的代理沿周期张开，使群体的质心保持静止。在一般情况下，这种模式松散的稳定性时，相互吸引力不足以克服曲率的约束，我们发现两大类固定铣削状态分岔。在第一种情况下，随着曲率的增加，空间周期模式发生Hopf分叉，导致不稳定的时空振荡。这个通用的分歧进行了分析的领域，并证明了几个表面的数值。在第二个周期轨道中，稳定和不稳定的铣削状态发生碰撞和湮灭。后者分析了圆柱表面上的铣削状态。我们的研究结果有助于普遍理解的群体模式的形成和稳定性，在表面曲率的存在下，并可能有助于设计机器人群，可以控制移动复杂的表面。
2020-07-31 nlin.AO physics.bio-ph
Cluster dynamics and cluster size distributions in systems of self-propelled particles
自推进粒子（SPP）系统在噪声存在下通过速度调整机制相互作用，表现出丰富的集群动力学。可以说，集群负责在这些系统中的（本地）信息的分布。在这里，我们研究了SPP系统中单个集群的统计特性，如集群相对于其移动方向的不对称扩展。此外，我们制定了一个Smoluchowski型动力学模型来描述集群的大小分布（CSD）的演变。该模型预测了SPP系统中稳态CSD的出现。我们测试我们的理论预测，在模拟SPP的相互作用，发现我们简单的动力学模型再现定性的过渡到聚集模拟中观察到的。
2014-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Anti-aligning Self-propelled Model of Two Species: Emergence of Self-organized Heterogeneous Aligned and Clustered Order
本研究通过反向对齐相互作用的自推进粒子模型，揭示了多种物种共存时通过形成交替领域聚集体实现全局极性秩序的机制。
2025-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Snowdrift game induces pattern formation in systems of self-propelled particles
物种之间的进化博弈导致了扩散剂系统中有趣的时空模式。然而，物种间的相互作用的作用几乎没有研究时，代理人（自）推进，是在许多生物系统的情况下。在这里，我们结合方面从活性物质和进化博弈论和研究系统的两个物种的个人是（自）推进和相互作用，通过雪堆游戏。我们推导出流体动力学方程的密度和速度场的两个物种，从中我们确定参数制度，其中一个或两个物种形成宏观取向秩序以及制度的传播波图案。有趣的是，我们在两个物种中发现了同时发生的波型，这是由对齐和雪堆相互作用之间的相互作用引起的--我们称之为游戏诱导的斑图形成的反馈机制。我们测试这些结果在基于代理的模拟，并确认不同的制度秩序和时空模式，以及游戏诱导的斑图形成。
2021-05-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Connecting cooperative transport by ants with the physics of self-propelled particles
本文将蚂蚁合作运输的负载视为自推进粒子，用朗之万方程从宏观尺度刻画其运动统计特征，并将模型参数与微观群体性质关联，发现速度方向与速度大小的自相关时间随群体规模呈现不同变化规律，其中速度自相关时间的峰值对应耦合载体模型中的相变临界减速。
2024-02-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Anomalous segregation dynamics of self-propelled particles
近年来，人们在活跃的软物质上获得了许多新颖的实验和理论结果，展示了这类驱动系统的各种有趣的普适和反常特征。在这里，我们考虑一个基本的，但仍然未探索的方面的模式中出现的系统的积极运动的单位，即，当存在两种具有不同粘合性能的它们时，它们发生分离。偏析的过程是由一个自推进的颗粒，使颗粒有一种倾向，只粘附到那些是同类的模型进行研究。与相关微分方程对应的计算可以并行进行，因此功能强大的GPU卡可以进行大规模模拟。我们发现，偏析动力学是非常不同的，从非驱动的同行，并描述了新的标度指数$z\simeq 1$和$z\simeq 0.8$的1：1和非相等的比例的两个成分，分别。我们的结果与最近观察到的分离组织细胞\emph{in vitro}一致。
2014-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.AO
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
Swarm behavior of self-propelled rods and swimming flagella
自推进粒子系统以其聚集和群体行为的倾向而闻名。我们调查两个模型系统，自推进杆通过体积排阻相互作用，和正弦式跳动的鞭毛嵌入在流体动力学相互作用的流体。在鞭毛系统中，拍频是具有非零平均值的高斯分布。这些系统进行了研究布朗动力学模拟和中尺度流体动力学模拟，分别。分析了颗粒密度、环境噪声或内部噪声变化时的聚类行为。通过区分三种类型的集群规模概率密度函数，我们得到了不同的群体行为的相图。分析了团簇的结构、寿命和平均大小等性质。我们发现，两个系统的群体行为，其特征在于几个有效的幂律，是非常相似的。然而，更仔细的分析揭示了一些差异。自推进杆的簇由于部分受阻的向前运动而形成，并且因此通常是楔形的。在高棒密度和低噪声下，出现一个巨大的移动团，其中大多数棒大多朝向中心。相反，鞭毛变得水动力学同步并相互吸引;它们的簇因此更长。此外，鞭毛簇的寿命衰减更快的簇的大小比棒簇。
2010-08-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Escape Kinetics of Self-Propelled Janus Particles from a Cavity: Numerical Simulations
我们数值研究了椭圆Janus粒子从具有反射壁的二维狭窄腔中的逃逸动力学。Janus粒子的自推进速度沿着它们的长轴（长轴）或短轴（扁轴）。我们发现，平均出口时间是非常敏感的腔的几何形状，粒子的形状和自推进强度。当自推进长度等于空泡尺寸时，平均出口时间最小。我们还发现最佳的平均逃逸时间作为自推进速度，平移扩散和颗粒形状的函数。因此，可以实现通道中Janus粒子的有效传输控制机制。
2014-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Crowding-Enhanced Diffusion: An Exact Theory for Highly Entangled Self-Propelled Stiff Filaments
我们研究了一个强烈的相互作用拥挤的系统的自推进刚性细丝事件驱动的布朗动力学模拟和分析理论，以阐明拥挤和自推进的复杂相互作用。我们发现一个显着增加的有效扩散系数后，增加的细丝数密度超过一个数量级。这种反直觉的“拥挤更快”的行为可以通过扩展Doi和Edwards开创的用于高度纠缠的拥挤、被动到主动系统的限制管的概念来合理化。我们预测的有效扩散系数的Péclet数和细丝数密度的函数的标度理论。随后，我们证明了一个精确的表达式推导出一个单一的自推进丝与运动参数作为输入可以预测的非平凡的时空动态在整个范围内的长度和时间尺度。特别是，我们的理论捕捉短时间的扩散，定向游泳运动在中间的时间，并在长时间的过渡到完整的取向松弛。
2022-09-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The random walk of intermittently self-propelled particles
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
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
Active diffusion of self-propelled particles in flexible polymer networks
具有网状拓扑结构的生物聚合物网络，细胞外基质和粘液凝胶是普遍存在的。这是一个开放的问题，以了解如何自推进剂，如Janus胶体颗粒扩散通过这样的生物聚合物网络。在这里，我们通过明确建模三维生物聚合物网络和执行Langevin动力学模拟的主动扩散的自推进示踪剂在其中计算深入探讨这个问题。我们发现，活性示踪剂进行不同的扩散动力学取决于网格的颗粒大小和Péclet数（Pe）。当颗粒小于筛目尺寸时，其如同在自由空间中移动，根据聚合物占据密度和Pe，其移动性降低。然而，当颗粒尺寸增加到与筛目尺寸相当时，活性颗粒使用捕获和跳跃机制探索聚合物网络。我们研究了在不同Pe下的捕获时间分布、飞行长度分布、均方位移和长时间扩散率。如果颗粒大于网格，则它在短时间内捕获聚合物网络的集体粘弹性动力学，并且在长时间内捕获整个系统的简单扩散。最后，我们讨论的标度行为的长期扩散与Pe，在那里我们找到一个范围的Pe，产生一个非平凡的幂律。后者原来是从一个大的波动的捕获，激活示踪剂与响应聚合物网络共轭。
2022-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective Dynamics of Self-propelled Semiflexible Filaments
本文利用自驱动蠕虫状链模型研究半柔性丝状体的集体动力学，发现通过调节弯曲刚度、活性和长径比可诱导出包括螺旋相、团簇相和活性湍流等多种非平衡相态，为组织活性物质提供了可调稳态参考。
2018-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Aggregation of self-propelled particles with sensitivity to local order
我们研究了一个系统的自推进粒子（SPPs），其中单个粒子被允许切换之间的快速对齐和缓慢的nonaligning状态取决于在附近的对齐程度。使用局部序参量的阈值来对切换进行建模。这种额外的属性产生了混合相，与清洁SPP系统中发现的有序相形成对比。当阈值从零开始增加时，我们发现突然出现了非对准器的集群。非校准器集群与移动的校准器集群共存，并持续合并和分裂。系统的行为相对于非校准器的聚类似乎是非常不同的低和高的全球密度值。在低密度状态下，对于阈值的最佳值，非对准器的最大簇的尺寸增长到最大值，该最大值随颗粒的总数而变化。然而，在进一步增加阈值时，大小减小。相比之下，对于高密度的制度，一个初始的突然上升，其次是一个巨大的集群nonaligners的外观。后者的增长可以被描述为一个连续的渗滤过渡。另外，我们发现矫正器和非矫正器之间的速度差对于矫正器和非矫正器的隔离是必要的。
2022-04-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Ordering dynamics of self-propelled particles in an inhomogeneous medium
研究了二维非均匀介质中自推进粒子的有序动力学。我们写的粗粒度的密度和速度场的粗粒度的流体动力学运动方程中存在的外部随机无序场，这是淬火的时间。不均匀性的强度从零无序（干净的系统）到大的无序。在清洁系统中，速度场代数地增长为$L_{\rm V} \sim t^{0.5}$。密度场并没有显示出干净的幂律增长;然而，它近似地遵循$L_{\rm ρ} \sim t^{0.8}$。在非均匀系统中，我们发现了一个无序依赖的增长。对于密度和速度，生长随着无序强度的增加而减慢。在中间时间，速度显示出无序依赖的幂律增长$L_{\rm V}(t,Δ) \sim t^{1/\bar z_{\rm V}(Δ)}$。在后期，存在到对数生长$L_{\rm V}(t,Δ) \sim (\ln t)^{1/φ}$的交叉，其中$φ$是与无序无关的指数。速度的两点关联函数具有动力学标度性，而密度则不具有动力学标度性。
2018-03-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Reaction processes among self-propelled particles
我们研究了一个系统的自推进磁盘执行运行和翻滚运动，粒子可以采用一个以上的内部状态。如果携带这种状态的粒子与另一个粒子保持物理接触一段有限的时间，这些内部状态之一可以被传输到另一个粒子。我们把这个过程称为反应过程，把不同的内部状态称为粒子种类，以类比化学反应。所研究的系统可能会进入吸收阶段，其中由于一种颗粒物质的消失，没有进一步的反应可以发生或保持在活性阶段，其中颗粒不断反应。结合个人为基础的模拟和平均场的参数，我们研究了粒子物种的平衡密度与运动参数的依赖关系，特别是活跃的速度$v_0$和翻滚频率$λ$。我们发现，粒子物种的平衡密度表现出两个非常不同的，非平凡的标度制度与$v_0$和$λ$取决于系统是否在所谓的弹道或扩散制度。我们的平均场估计导致一个有效的重整化反应速率，使建设的相图$v_0$ -$λ$，分离的吸收和活跃的阶段。我们发现一个很好的协议之间的数值模拟和估计。这项研究是一个必要的步骤，以了解相变到一个吸收状态的活动系统，并揭示了传播的信息/信号之间的移动元素。
2019-12-26 cond-mat.soft 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
Viscosity and effective temperature of an active dense system of self-propelled particles
我们得到一个非平衡理论的一个简单的模型的一般类的活跃的致密系统组成的自推进粒子的自推进力，$f_0$，和持久时间，$τ_p$，他们的运动。我们考虑两种模型的活动，并发现系统的特点是不断变化的有效温度$T_{eff}(τ)$，通过广义波动耗散定理定义。$T_{eff}(τ)$在很短时间内等于平衡温度$τ$，在很长时间内饱和到$T_{eff}=T_{eff}(τ\to\infty)$; $T_{eff}(τ)$达到长时间极限时的过渡时间$t_{trans}$取决于$τ_p$单独和两种模型的$t_{trans}\sim τ_p^{0.85}$。$f_0$随着活性的增加而降低粘度，另一方面，$τ_p$可以根据如何包括活性的细节来增加或降低粘度。然而，作为$T_{eff}$的函数，对于不同的活性模型和$η\sim (T_{eff}-T)^{-γ}$与$γ=1.74$，粘度显示出相同的行为。我们的理论与实验数据相比，给出了合理的协议，并与不同系统的几个实验是一致的。
2018-03-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Programming tunable active dynamics in a self-propelled robot
本研究提出一种方案，通过差速驱动机制和微控制器编码，使自驱动机器人实现可调活性动力学，并验证其与理论预测一致，为活性物质物理及仿生机器人应用开辟新途径。
2023-11-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Escape of an Active Ring from an Attractive Surface: Behaving Like a Self-Propelled Brownian Particle
本研究通过布朗动力学模拟探究柔性活性环从吸引表面的逃逸行为，发现两种逃逸机制，揭示活性、持续时间、势垒形状及推进力偏置对逃逸的影响，证明该体系可等效为自驱动布朗粒子模型。
2024-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Collection of polar self-propelled particles with a modified alignment interaction
我们研究了一组极性自推进粒子通过依赖于距离的排列相互作用相互作用的无序到有序的转变。相互作用强度$a^{d}$（$0<a<1$）随粒子对间的度规距离$d$衰减，且相互作用是短程的。在$a = 1.0$中，我们的模型简化为著名的Vicsek模型。对于所有的${\it a}>0$，该系统显示出从无序到有序状态的转变作为噪声强度的函数。我们计算了不同$a$的临界噪声强度$η_c(a)$，并与平均场结果进行了比较。随着$a$的减小，无序到有序转变的性质从不连续连续到连续地变化。我们用数值方法估计了三临界点$a_{TCP}$，在该临界点处，相变的性质从不连续变为连续。密度相分离对于接近1的${\it a}$是大的，并且其随着$a$的减小而衰减。我们也写出了一般${\it a}$的粗粒流体动力学方程，发现当${\it a}$接近$1$时，均匀有序态对小扰动是不稳定的.在均匀有序态的不稳定性是一致的大密度相分离的${\it a}$接近1。
2018-03-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-propelled rods exhibit a novel phase-separated state characterized by the presence of active stresses and the ejection of polar clusters
我们研究收集的自推进杆（SPR）在两个维度上移动的包装分数小于或等于0.3。我们发现，在临界温度下，SPR发生了从无序气体到新的相分离系统态的相变。有趣的是，（全球）取向秩序模式-相反，已经建议-消失在这个限制。在发现的新状态下，SPR自组织成一个高度动态的，高密度的，紧凑的区域-我们称之为聚集体-它被无序气体包围。聚集体内部的主动应力是局部取向有序和主动力共同作用的结果。这导致了这些聚合物最显著的特征：SPR极性簇的不断喷射。这种新的相分离状态代表了一种新的物质状态，其特征在于体积和形状的大波动，与质量喷射有关，并表现出位置和取向的局部秩序。由于密度、活性应力和取向顺序之间的耦合（这种耦合不能简单地简化为速度和密度之间的耦合），SPR系统显示出在其他活性物质系统中看不到的新物理。
2015-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective motion of groups of self-propelled particles following interacting leaders
为了在运动中保持凝聚力，群居动物必须做出集体决策。许多物种拥有复杂的社会，具有多层次的社区。一个常见的情况是存在两个主导级别，一个对应于领导者，另一个由追随者组成。在本文中，我们研究的集体运动的两个层次的组装的自推进粒子。我们提出了一个模型，从一个最初提出的描述细胞的运动，导致平滑变化的连贯运动。我们将使用与某些哺乳动物的大群体相对应的术语，其中领导者和追随者形成一个称为“后宫”的群体。我们研究的出现（自组织）的牛群在运动过程中通过计算机模拟的子组。由此产生的过程进行比较，我们以前的观察普氏野马群（Horzewalski，匈牙利），我们使用的结果，从一个已发表的案例研究。我们发现，该模型再现了一个群体的主要特征，包括领导者和单身汉群体（没有追随者的领导者群体）之间的追随者的斗争，在开放的地面上移动的后宫。然而，我们的一项发现与观察结果不一致。虽然在我们的模型中出现的组大小分布是正态的，但基于历史数据的观察牛群的组大小分布已被发现遵循对数正态分布。我们认为，这表明，形成（和大小）的后宫必须涉及一个更复杂的社会拓扑结构比简单的空间距离为基础的互动。
2017-03-19 physics.bio-ph physics.soc-ph
Active Brownian Particle and Random Walk Theories of the Motions of Zooplankton: Application to Experiments with Swarms of Daphnia
主动布朗粒子是在耗散介质中受随机力或噪声影响的自推进粒子。此外，它们可以被外部场限制和/或它们可以彼此相互作用。外场实际上可能是一个有吸引力的标记，例如光场（如实验中）或能势或化学梯度（如理论中）。势能也可以是粒子间吸引力和/或排斥力在所有粒子上相加的结果（平均场势）。第四，粒子的不同性质的运动是可能的：在小的粒子密度下，它们的运动近似彼此独立，只受外场和噪声的影响，这导致随机移动或围绕空间中心点进行旋转运动。随着密度的增加，相互作用起着重要的作用，个体形成一个群体，进行几种类型的自组织集体运动。我们应用这个模型的浮游动物水蚤群的描述。在浮游动物水蚤（可能还有许多其他形成类似运动的水生动物）的情况下，这种漩涡是流体动力学的，但由个体的自我推进运动驱动。类似的旋涡运动也被观察到，从细菌到鸟群和鱼群，大小不等。然而，我们对水蚤的实验是独一无二的，因为所有四种运动都可以在受控的实验室条件下观察到。此外，该理论，在连续微分方程和随机行走的形式，提供了一个定量的，物理为基础的解释的四个运动。
2004-04-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Nonequilibrium mode-coupling theory for dense active systems of self-propelled particles
自推进粒子的主动系统的物理学，在稠密的液体状态的制度，是一个开放的谜的巨大的当前利益，无论是统计物理学，因为这样的系统出现在许多生物背景。我们发展了一个非平衡模式耦合理论（MCT），其中活动包括作为一个色噪声的粒子具有自推进力$f_0$和持续时间$τ_p$。利用推广的MCT和推广的涨落耗散定理，我们计算了活动流体的有效温度$T_{eff}$。系统的非平衡性质通过依赖于时间的$T_{eff}$表现出来，该$T_{eff}$在长时间极限中接近常数，其取决于活性参数$f_0$和$τ_p$。我们发现，从现象学上讲，这个长时间的限制是由一个单一的，被困的活性粒子（STAP）的势能捕获。通过标度分析接近MCT玻璃化转变点，我们表明，$τ_α$，$α$ -弛豫时间，表现为$τ_α\sim f_0^{-2γ}$，其中$γ=1.74$是被动系统的MCT指数。$τ_α$可根据主动力相关性的类型作为$τ_p$的函数增加或减少，但行为始终由相同的指数值$γ$控制。与非平衡MCT数值解的比较以及模拟结果与标度分析吻合得很好。
2017-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active screws: Emergent active chiral nematics of spinning self-propelled rods
Institute for Theoretical Physics, Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学理论物理研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学凝聚态物理系）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚高级研究学院）
研究通过主动螺旋体的旋转运动，揭示了集体手性流动的形成机制，对社会细菌群体和单细胞寄生虫群体行为有重要意义。
2026-08-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Tricritical points in a Vicsek model of self-propelled particles with bounded confidence
我们研究了具有选择性相互作用的自推进粒子系统中的取向有序。为了引入选择性，我们用有界置信度碰撞规则来增强标准Vicsek模型：给定的粒子只与方向与自己非常相似的邻居对齐。方向偏离大于固定限制角度$α$的邻域将被忽略。该系统的集体动力学研究基于代理的模拟和动力学平均场论。我们表明，限制角的减少导致一个临界噪声幅度单调下降的角度，变成一个幂律指数为3/2的小角度。此外，对于小的系统尺寸，我们表明，在减少的限制角，极性集体运动的过渡从连续到不连续的变化。因此，一个明显的三临界点的识别和计算分析。我们还发现，在非常小的相互作用角的极性有序相变得不稳定的非极性相。我们表明，平均场动力学理论允许固定的电子态低于限制角$0.681 π$。我们计算了无序态分叉到非有序态的临界噪声，发现它总是小于从无序态到极序态转变的阈值噪声。无序-无序转变具有两个三临界点：在低和高限制角下，转变是不连续的，但在中间$α$处是连续的。我们将我们的结果推广到系统，显示成两个以上的群体分裂，并获得的过渡线和相应的三临界点的标度律。提出了一种新的数值方法来计算非线性Fredholm积分方程的平稳分布函数。
2014-11-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Sequential epidemic spread between agglomerates of self-propelled agents in one dimension
本研究基于一维自驱动粒子模型，探讨空间结构中流行病的传播机制，发现重取向速率对最终感染人数存在非单调影响，为高维流行病研究奠定基础。
2023-03-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Individual particle persistence antagonizes global ordering in populations of nematically-aligning self-propelled particles
本文以黄色粘球菌为灵感，研究个体迁移持续性与粒子间相互作用对集体迁移的联合影响，发现高持续性会在向列对齐较强时拮抗全局有序，揭示群体行为受个体内在行为与相互作用共同调控。
2025-02-10 cond-mat.stat-mech nlin.CG nlin.PS
