Dynamic Instabilities and Pattern Formation in Chemotactic Active Matter
University of California, San Diego（加利福尼亚大学圣地亚哥分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
本文研究了趋化行为对运动诱导相分离的影响，发现其可抑制或引发动态不稳定性，并通过分析确定了四种分支类型及模式振幅的解析表达式。
2026-03-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Chemotactic smoothing of collective migration
集体迁移--许多自我推进的代理人的定向、协调运动--是活性物质所表现出的一种迷人的涌现行为，对生物系统具有关键的功能意义。广泛的研究已经阐明了这种现象可能出现的不同方式。然而，当一个群体面临在复杂环境中不可避免地出现的扰动时，集体移徙如何能够持续下去，人们知之甚少。在这里，通过结合实验和模拟，我们描述了一种机制，集体迁移人口平滑大规模的扰动，在他们的整体形态，使他们的成分继续迁移在一起。我们专注于典型的例子，大肠杆菌的趋化性迁移，其中细胞的正面移动通过定向运动，或趋化性，在响应一个自我生成的营养梯度。我们确定了两种不同的模式，其中趋化性影响人口的形态：细胞在不同的位置沿前线迁移在不同的速度，由于空间变化（i）在当地的营养梯度和（ii）的能力，细胞感测和响应当地的营养梯度。虽然第一种模式是不稳定的，但第二种模式是稳定的，并占主导地位，最终推动总体人口的平稳发展，并使集体移民得以持续。这个过程是自主的，不需要任何外部干预;相反，它是个体细胞接收外部信号的方式的群体规模的结果。因此，我们的研究结果提供了见解，预测，并可能控制，集体迁移和形态的细胞群和各种其他形式的活性物质。
2021-01-12 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Chemotactic self-caging in active emulsions
本研究以自驱动液滴为化学活性粒子模型，通过实验与模拟定量分析液滴间化学排斥信号的交流机制，揭示活性乳液中由负自趋化性引发的瞬态自笼动力学阻滞现象，为相关集体动力学研究提供新见解与预测原理。
2022-03-07 cond-mat.soft
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
Modelling chemotaxis of microswimmers: from individual to collective behavior
我们讨论了最近的进展，在理论上描述的趋化性耦合的扩散方程的化学物种的方程描述的运动传感微生物。特别是，我们讨论了一个单一的微生物，它的感觉自己的分泌导致的现象，如自我定位和自我回避的自趋化性模型。对于两个异质颗粒，趋化偶联可以导致捕食者-猎物行为，包括追逐和逃逸现象，并形成活性分子，当颗粒相互接近时自发出现运动性。我们关闭这篇评论的集体行为的许多粒子的趋化耦合诱导模式，涉及集群，螺旋或行波的一些言论。
2019-02-04 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Optimal non-Markovian search strategies with n-step memory
随机搜索过程在自然界中无处不在，当配备了记忆时，预计会变得更有效率，而记忆在以前就已经存在。具有持久记忆的搜索过程的一个自然实现是迁移细胞，其被排斥于其途中秘密的扩散趋化信号，称为自动趋化性趋化性。为了分析这类非马尔可夫搜索过程的效率，我们提出了一个一般的形式主义，允许计算平均第一通过时间（MFPT）为一组给定的条件转移概率的非马尔可夫随机游动的格子。我们表明，最佳的选择的$n$步骤的跃迁概率降低MFPT系统和大幅增加的步骤数。事实证明，最佳的搜索策略可以减少到一个小的参数集定义的简单的循环，镜像非对称行走更有效。对于自趋化性，我们表明，一个最佳的耦合之间的MFPT和化学降低到1/3的马尔可夫随机游走。
2021-07-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.data-an
Predator-Prey Interactions between Droplets Driven by Nonreciprocal Oil Exchange
趋化相互作用在自然界中普遍存在，并可能导致多体系统中的非互惠和复杂的涌现行为。在这里，我们展示了胶束表面活性剂溶液中不同化学物质的微尺度油滴之间的趋化性信号传导如何导致捕食者-猎物般的追逐相互作用。相互作用和动态自组织是由不同组成的乳液液滴之间的净定向胶束介导的油运输引起的，并且由混合的自由能提供动力。的非互易行为发生在各种各样的油和表面活性剂的条件下，我们系统地阐明化学设计规则调整液滴之间的相互作用，通过改变油和表面活性剂的化学结构和浓度。通过实验和模拟相结合的方法，我们还研究了多液滴团簇的主动行为和动态重组。我们的研究结果表明，如何化学最小系统可以设计与可控的，非互惠的趋化相互作用，以产生紧急的自组织和集体行为让人想起生物系统。
2019-12-20 cond-mat.soft
Alignment interaction and band formation in assemblies of auto-chemorepulsive walkers
研究自化学排斥粒子的集体行为，引入晶格模型描述其相变，发现化学介导的对齐相互作用及自发形成的恒速行进稳定带结构。
2023-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Self-organized fractal architectures driven by motility-dependent chemotactic feedback
本研究通过最小智能体模型和连续模型，揭示运动依赖性化学沉积与浓度敏感反馈如何自组织产生分形网络，统一了趋化、组织重塑等现象，并为人工集体行为设计提供指导。
2025-04-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Emergence of Anti-chemotactic Flocking in Active Biomimetic Colloids
本研究通过实验与理论揭示，肌动蛋白踏车运动驱动的胶体因局部资源竞争产生抗趋化性和自推进，进而涌现集群行为，并指出活性应力与反应-扩散耦合是活性剂重塑环境时多尺度行为涌现的通用机制。
2025-05-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Emergent collective chemotaxis without single-cell gradient sensing
本研究提出一种无需单细胞梯度感知的集体趋化新机制，指出受趋化因子调控的运动接触抑制可使细胞团产生定向运动，并给出解析公式与验证方法。
2015-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Optimal number of agents in a collective search, and when to launch them
本文研究集体搜索中代理数量与启动时机的最优权衡，提出通用形式体系，通过解析与数值优化确定最优启动策略，并与随机重置对比，以平衡搜索时间与成本。
2025-03-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Collective behavior based on agent-environment interactions
该研究提出了一种基于代理与环境相互作用的模型，通过持久随机游走和趋化作用产生复杂集体行为，揭示了无直接通信下涌现的时空模式形成机制。
2026-01-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Synthetic Chemotaxis and Collective Behavior in Active Matter
概要：在化学梯度中导航的能力，称为趋化性，对微生物的生存至关重要。它使它们能够找到食物并逃离毒素。许多微生物可以产生它们自己响应的化学物质，并使用趋化性来发出信号，这可以被视为一种基本的通信形式。值得注意的是，过去的十年已经发展了合成的微型游泳者，例如自泳Janus胶体，它可以通过溶剂自推进，类似于细菌和其他微生物。其自我推进的机制涉及某些化学物质的生产。参与自我推进机制的相同化学物质也作用于其他微型游泳者，并使其游泳方向偏向（或远离）生产微型游泳者。因此，合成的微泳者提供了一种合成的类似物，以趋化运动的微生物。当这些相互作用是有吸引力的，它们通常会导致集群，即使在低粒子密度。这些集群可能会继续向macrophase分离，类似Dictyosteoblasts聚集，或者，如最近所示，导致动态集群的自限大小（动态集群），如在实验中看到的自泳Janus胶体。除了经典的情况下，化学相互作用是有吸引力的，这个帐户讨论，作为其主要重点，排斥化学相互作用，它可以创建一个新的和鲜为人知的途径，斑图形成在活性系统导致各种图案，包括集群的化学物质，行波和更复杂的不断重塑模式的外壳包围。在所有这些情况下，“合成信号”可以至关重要地决定合成的微型游泳者集合的集体行为，并可以用作设计原则，以创建能动活性颗粒的图案。
2018-10-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体（JPs）自推进作为自生的化学梯度的结果，并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内，长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于（i）粒子的自推进速度，（ii）粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和（iii）它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系，我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系，并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析，我们表明，自推进可以诱导波选择机制，某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟，分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明，在粒子密度的规则图案促进化学信号，但防止由极化粒子集体产生的强流体流动，无论其趋化或抗趋化性质（即拉和推游泳）。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Interaction-motif-based classification of self-organizing metabolic cycles
本研究针对催化活性粒子的自组织代谢循环，提出基于相互作用基序的分类方案，通过无参数和高维稳定性条件对网络稳定性进行分类，为复杂系统研究提供指导。
2023-05-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective dynamics of soft active particles
我们提出了一个模型的软活性粒子，导致了丰富的阵列的集体行为也发现在密集的生物群的细菌和其他单细胞生物。我们的模型只使用局部相互作用，如Vicsek型最近邻对齐，短程排斥和局部边界项。改变这些相互作用的相对强度会导致迁移群、旋转群和堵塞群，以及表现出奔跑和翻滚运动的群，在迁移和旋转或堵塞状态之间交替。有趣的是，虽然迁移的群体比单个粒子移动得慢，但扩散常数可以大三个数量级，这表明集体运动可能非常有利，例如，在寻找食物时。
2016-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
