Transport efficiency of metachronal waves in 3d cilia arrays immersed in a two-phase flow
本工作报告的形成和表征的antipleptic和辛异时波的三维纤毛阵列浸没在一个双流体的环境中，粘度比为20。耦合格子玻尔兹曼浸没边界求解器。纤毛周层被限制在上皮表面和粘液之间。它的厚度是这样选择的，纤毛的尖端可以穿透粘液。考虑流体的纯流体动力学反馈，并引入耦合参数$α$，允许调整波传播的方向和流体反馈的强度。一个比较研究的antipleptic和辛波，映射的纤毛间距范围从1.67到5纤毛长度，是通过施加异时性。反激波被发现系统地优于合激波。他们被证明是更有效的运输和混合的流体，而花费更少的能量比辛，随机，或同步运动。
2017-03-24 physics.bio-ph physics.class-ph physics.comp-ph
Rheological fluid motion in tube by metachronal wave of cilia
本文理论研究了纤毛节律波驱动轴对称管中幂律流变流体的输运，发现流量依赖纤毛长度，且在特定条件下接近人类输出小管的估计值，泵送随流体增稠而改善。
2018-05-02 math.AP physics.bio-ph physics.flu-dyn
Encoding spatiotemporal asymmetry in artificial cilia with a ctenophore-inspired soft-robotic platform
受栉水母启发，利用磁活性硅弹性体构建软体机器人平台，通过被动编码空间不对称拍动模式，发现不对称拍动在相同频率和相位差下能显著提升流体泵送性能，为仿生泵送装置设计提供参考。
2024-07-18 physics.bio-ph
Metachronal wave and hydrodynamic interaction for deterministic switching rowers
我们采用了一个模型系统，称为划手，作为一个通用的物理框架来定义的问题的纤毛（异时波）的协调运动的平衡过程。划船者是主动（两态）振荡器，仅通过流体动力学起源的力相互作用。在这项工作中，我们考虑的情况下，完全确定性的动力学，找到解析解的运动方程在长波长（连续）的限制，并调查数值的短波长限制。我们证明了在特征波长以下的异时波的存在。这种波是不稳定的，只有当耦合的符号反转时才变得稳定。我们还发现，与正常的流体动力学相互作用的异时模式具有稳定的火车的行波包持续的发病连续划手的反协调跳动的形式。
2003-01-28 cond-mat physics.bio-ph
Elastohydrodynamic coupling enhances flow generation by coordinated ciliary beating
Graduate School of Engineering Science, The University of Osaka（大阪大学工学研究科）
通过强化学习和简化倾斜滑块模型，揭示了弹性恢复力与时间平均位置偏移的耦合是决定纤毛协调拍动最优相位差的关键机制。
2026-06-18 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Symplectic and antiplectic waves in an array of beating cilia attached to a closed body
考虑到流体动力学的相互作用，在一个一维阵列的模型纤毛附着在一个无滑动的圆柱表面，我们研究他们的同步运动。我们表明，异时波的出现如何依赖于系统的初始状态，并调查的条件下，辛和反辛波的形成是可能的。
2017-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Efficiency optimization and symmetry-breaking in a model of ciliary locomotion
各种各样的游泳微生物，称为纤毛虫，利用大量小而密集的细胞器（称为纤毛）的弯曲，以便在粘性流体中推动自己。我们认为这样的纤毛运动的动态的个别纤毛被替换为一个连续的覆盖表面允许切向变形本身的球形信封模型。采用变分的方法，我们确定数值的时间周期性变形的表面，导致低雷诺运动的最小速率的能量耗散（最大效率）。采用拉格朗日和欧拉的观点，我们表明，在最佳的游泳行程，个别纤毛显示弱的不对称跳动，但一个显着的破膜发生在有机体水平，整个表面变形的波浪状的时尚让人想起异时波的生物纤毛。这波动进行了分析，使用一个正式的模态分解，发现发生在相同的方向作为游泳的方向，并解释为由于空间分布的相位差的运动学的个别纤毛。使用额外的约束优化，以及一个构造的分析animals，我们推导出一个完整的优化图，其中所有的游泳效率，游泳速度，和幅度的表面变形可以达到数学上最优的游泳者，效率的一半，是一个奇异的限制。因此，从生物学上讲，我们的工作表明，异时波可能允许纤毛推动细胞前进，同时减少周围液体中耗散的能量。
2010-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Rowers coupled hydrodynamically. Modeling possible mechanisms for the cooperation of cilia
我们介绍了一个模型系统的随机实体，称为“划船”，其中包括一些本质的行为真正的纤毛。我们介绍和讨论这些对象的对称性破缺的问题，它与宏观的发病，在流体中的定向流动。我们进行了一个平均场的计算表明，流体动力学相互作用可以提供对称性破缺机制和流体流动的发病。最后，我们讨论了随机背景下的异时波问题。
2002-01-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonreciprocal interactions give rise to fast cilium synchronisation in finite systems
本文用球形粒子模型模拟纤毛摆动，发现近场流体动力学相互作用产生非互易耦合，使同步从边界种子快速传播，并揭示纤毛毯的三种速度。
2023-05-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cilia-driven transport in confined ducts: an active porous media model
University of Southern California（南加州大学）；Nankai University（南开大学）
本文研究了受限管道中纤毛驱动的流体输运，提出了一种主动多孔介质模型，确定了两个关键形态参数：纤毛限制比和平均纤毛分数，并通过数值方法和解析模型分析了流体输运受限制和纤毛材料排列的影响，揭示了流量与压力生成之间的线性递减关系，为设计生物启发的微流体泵提供了指导原则。
2026-05-20 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Finding the ciliary beating pattern with optimal efficiency
我们引入了一个衡量生物纤毛单独或集体作用的能量效率的方法，并根据这个标准数值确定了最佳的跳动模式。最大限度地提高单个纤毛的效率会导致卷曲，通常是对称的，有些违反直觉的模式。但是当观察一个浓密的纤毛表面时，最佳模式变得与在草履虫等微生物中观察到的非常相似。最佳击打模式则由快速有效冲程和缓慢扫动恢复冲程组成。异时协调对于有效泵浦是必不可少的，并且利用反激波实现最高效率。效率也随着纤毛密度的增加而增加，直到拥挤成为问题的程度。最后，我们与纤毛的泵送效率的球形微生物的游泳效率，并表明草履虫的实验估计的效率是令人惊讶的接近理论上可能的最佳。
2011-07-21 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.CB
Coordinated motion of active filaments on spherical surfaces
协调纤毛在整个自然界中用于微米尺度的流体运输。它们通常在固定的平面上用规则的灯丝阵列建模。在这里，我们模拟了数百个相互作用的活性丝在球面上，纤毛位移场的缺陷必须存在。我们看到，对于保持固定的球体，朝向或围绕两个缺陷同步跳动。缺陷改变细丝跳动，导致球体一旦释放就移动。这种运动反馈到灯丝，导致沿赤道的异时性行为的旋转状态。
2021-11-30 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Role of spatial heterogeneity on the collective dynamics of cilia beating in a minimal 1D model
纤毛是细胞膜上的弹性毛发状突起，存在于各种单细胞生物和大多数生物体的几种组织中。在某些组织中，如肺的气道组织，纤毛的协调跳动诱导至关重要的流体流动，因为它允许我们的支气管的连续清洁，称为粘膜纤毛清除。虽然大多数解决集体动力学和异时性波问题的模型考虑纤毛的均匀地毯，但实验观察表明纤毛簇不均匀地分布在组织表面。本文的目的是调查的作用，空间异质性的纤毛相干跳动使用一个非常简单的一维模型纤毛称为rower模型。我们系统地研究了由几个赛艇运动员到数百名赛艇运动员组成的系统，并研究了集体殴打出现的条件。当考虑少量划手时，会发生相位漂移，因此随着划手集群之间的距离的改变，观察到拍频的分叉。在许多划手的情况下，观察到的频率分布。我们特别发现了在集体跳动行为中表现出最佳鲁棒性的片状结构的图案，因为纤毛的密度在很宽的范围内变化。
2017-12-20 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Emergent coordination and propulsion of a model spherical ciliate
Imperial College London（帝国理工学院）；Fluid Gravity Engineering Ltd.（流体重力工程有限公司）
研究生物流体动力学中能动纤毛协调运动及流体运输能力，开发丝状振荡器模型计算模型纤毛的涌现协调与推进，分析不同参数下的双稳态、推进能力及流场，探讨摆动平面倾斜对纤毛旋转的影响。
2026-07-15 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Long-range interactions and phase defects in chains of fluid-coupled oscillators
真核生物的纤毛和鞭毛是化学机械振荡器，能够产生长距离的协调运动，称为异时波。对同步是这些集体动力学的基本要求，但它通常不足以集体锁相，主要是由于长程相互作用的影响。在这里，我们探索实验和数值计算的一个纤毛表面的极小模型，流体动力耦合振荡器旋转以上的无滑移平面。由于流体动力相互作用范围的变化，增加它们与壁面的距离深刻地影响了全球动力学。阵列经历从行波到稳定的人字形图案或被周期性相位缺陷打断的图案的过渡。在这些制度之间的过渡，系统显示的行为让人想起嵌合体状态。
2016-06-02 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
Coordinated Beating of Algal Flagella is Mediated by Basal Coupling
纤毛和鞭毛经常表现出同步的行为;这包括锁相，如在{ \it Chlamydium}中所见，以及高等生物呼吸纤毛中的异时波形成。自从格雷和罗斯柴尔德观察到附近游动的精子的相位同步以来，人们一直认为同步是由跳动的细丝之间的流体动力学相互作用引起的。从多细胞藻{ \it Volvox}中分离的物理分离的鞭毛对的动力学的最新研究表明，单独的流体动力学耦合足以产生同步。然而，在鞭毛很少的单细胞生物中，情况更为复杂。我们发现，鞭毛的{ \it衣原体}突变体缺乏的鞭毛连接之间的基体显示显着不同的同步从野生型。我们进行显微操作的鞭毛的配置，并得出结论，一个机制，内部的细胞，必须提供一个额外的鞭毛耦合。在自然发生的物种与4，8，甚至16鞭毛，我们发现不同的对称性的基体定位和鞭毛装置，是一致的特定步态的鞭毛驱动，这表明它是一个竞争之间的细胞内耦合和流体动力学的相互作用，最终确定精确的形式鞭毛协调单细胞藻类。
2016-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Spontaneous waves in muscle fibres
机械振荡对于许多细胞过程都很重要，例如纤毛和鞭毛的跳动或毛细胞对声音的感觉。这些动力学状态起源于分子马达的自发振荡。在非生理条件下的肌纤维中观察到了这种振荡的一个特别明显的例子。在这种情况下，电机振荡导致沿着纤维的收缩波。通过对肌纤维动力学的宏观分析，我们发现自发波涉及非流体动力学模式。肌节动力学的一个简单的微观模型突出了电机动力学的机械方面，并符合实验观察。
2009-01-28 physics.bio-ph q-bio.TO
