從眩目的畸變到自湍流流體，“主動(dòng)系統(tǒng)”包含了一大類現(xiàn)象，在這些現(xiàn)象中，單個(gè)物體推動(dòng)自己前進(jìn)，使它們能夠顯示出有趣的集體行為。在微觀尺度上，它們被發(fā)現(xiàn)在一群通過蠕動(dòng)而四處移動(dòng)的活有機(jī)體中，

由于它們底部沉重的質(zhì)量分布，它們與地球的引力場(chǎng)排成一條直線。柏林工業(yè)大學(xué)Felix Rühle和Holger Stark發(fā)表在《歐洲物理雜志》期刊上的研究發(fā)現(xiàn)：

根據(jù)它們的性質(zhì)，這些物體共同在兩種狀態(tài)中度過了大部分時(shí)間，在這兩種狀態(tài)之間可能會(huì)出現(xiàn)一些有趣的行為?？梢詭椭忉屇承┪⑸锶后w的神秘特性，包括有時(shí)在沿海地區(qū)發(fā)現(xiàn)的浮游植物薄膜，以及形成“跳舞”叢生的藻類。研究發(fā)現(xiàn)，這些集體行為是由自我推進(jìn)的物體在重力作用下向上游的能力以及它們底部重量程度決定。對(duì)于較低的數(shù)值，游泳者群體會(huì)像不活躍的塵埃顆粒一樣下沉到容器的底部。

但數(shù)值較高的會(huì)聚集在容器頂部，在這些狀態(tài)之間，較小的游泳者群聚集在底部，由下沉的粒子羽狀物提供食物。此外，可以形成多孔的游泳者集群，使單個(gè)粒子得以逃逸。Rühle和Stark通過對(duì)流體中約900個(gè)底部蠕動(dòng)物體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出了他們的發(fā)現(xiàn)。通過先進(jìn)技術(shù)，研究人員能夠解釋游泳者之間的任何相互作用，以及流體本身的性質(zhì)。其研究結(jié)果現(xiàn)在為研究受重力影響的活性系統(tǒng)特性提供了令人著迷的新見解。

并可能幫助生物學(xué)家更好地理解某些微生物在自然生態(tài)系統(tǒng)中的作用。用多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)方法對(duì)在低雷諾數(shù)重力作用下蠕動(dòng)的微泳者系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力模擬。此外，蠕動(dòng)的底部很重，所以它們會(huì)感受到一個(gè)扭矩，使它們沿著垂直方向?qū)R。蠕動(dòng)裝置通過分別由作用力和扭矩以及各自流場(chǎng)啟動(dòng)的小托架和小托盤的流場(chǎng)進(jìn)行流體動(dòng)力相互作用。通過改變游動(dòng)與整體沉降速度之比和扭矩，研究確定了中性蠕動(dòng)和強(qiáng)力推拉器集體動(dòng)力學(xué)的狀態(tài)圖。

對(duì)于較低的游速和扭矩，觀察到常規(guī)的沉降，而隨著它們值的增加，沉降剖面變得反轉(zhuǎn)。對(duì)于中性蠕動(dòng)，在兩種沉降狀態(tài)之間發(fā)現(xiàn)了循環(huán)蠕動(dòng)的對(duì)流卷，它們位于系統(tǒng)的底部，由集體下沉蠕動(dòng)形成的羽流供給。在較大的扭矩下，會(huì)出現(xiàn)多孔團(tuán)簇，從而產(chǎn)生單一的蠕動(dòng)。后兩種狀態(tài)也可以從均勻的蠕動(dòng)分布開始瞬間出現(xiàn)，然后在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)消失，對(duì)于強(qiáng)推進(jìn)器和強(qiáng)拉動(dòng)器，只觀察到弱羽流的形成。

博科園｜研究/來自：Springer

研究發(fā)表期刊《歐洲物理雜志》

DOI: 10.1140/epje/i2020-11949-8

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