[論文レビュー] Ratchet Effects in Active Matter Systems

C. J. O. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Micro and Nano Robotics参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、泳ぐ細菌、アクティブコロイド、細胞などの自己駆動粒子系におけるアクティブラッチェット効果をレビューしている。外部からの駆動がなくても、非対称基板上での自発的 directed 動作が生じる。主な貢献は、集団的相互作用がラッチェットの進行方向を反転させられることを示したことであり、これにより双方向輸送が可能となり、マイクロマシン設計や生物学的分離応用の新しい可能性が開かれる。

ABSTRACT

Ratchet effects can arise for single or collectively interacting Brownian particles on an asymmetric substrate when a net dc transport is produced by an externally applied ac driving force or by periodically flashing the substrate. Recently, a new class of active ratchet systems has been realized through the use of active matter, which are self-propelled units that can be biological or non-biological in nature. When active materials such as swimming bacteria interact with an asymmetric substrate, a net dc directed motion can arise even without external driving, opening a wealth of possibilities such as sorting, cargo transport, or micromachine construction. We review the current status of active matter ratchets for swimming bacteria, cells, active colloids, and swarming models, focusing on the role of particle-substrate interactions. We describe ratchet reversals produced by collective effects and the use of active ratchets to transport passive particles. We discuss future directions including deformable substrates or particles, the role of different swimming modes, varied particle-particle interactions, and non-dissipative effects.

研究の動機と目的

• 非対称基板上に存在する自己駆動活性物質が、外部の交流または直流駆動なしに、どのように定常的な方向輸送を生成するかを理解すること。
• 粒子間相互作用および粒子-基板相互作用が、ラッチェット逆転現象および出現する準粒子ダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• アクティブラッチェットを用いた非駆動粒子の輸送およびアクティブ物質を用いたマイクロマシンの構築可能性を検討すること。
• 変形可能な粒子、キラル運動、非散乱効果を含む、アクティブラッチェット系における未解決課題を特定すること。
• アクティブラッチェティングの生物学的関連性および複雑な環境下での運動能に与える影響を検討すること。

提案手法

• 基板力、粒子間相互作用、活性駆動を含む確率的運動方程式を用いた過減衰アクティブ粒子のモデル化。
• 1次元および2次元の非対称基板（例えば、ファンネルアレイや歯型ポテンシャル）における輸送を、数値シミュレーションと解析的モデルを用いて研究。
• rocking ラッチェットにおける交流駆動振幅および周波数、flashing ラッチェットにおける点滅周波数に対するラッチェット効率の関数としての分析。
• 粒子間相互作用に起因する集団的効果を調査し、キンク/アンチキヌク形成およびラッチェット逆転現象を解明。
• 非対称な受動的物体（例：楔形、シャトル）の凹部におけるアクティブ粒子の蓄積をシミュレートし、その結果生じる定常推進力の評価。
• 細菌の隅への蓄積によって引き起こされる非対称受動ギアの回転を検討し、実験的比較によって妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己駆動粒子は、外部の駆動なしに非対称基板上でのどのようにして定常的な直流輸送を生成するのか？
• RQ2 集団的相互作用は、アクティブ物質系におけるラッチェット輸送の進行方向を反転させるにあたり、どのような役割を果たすのか？
• RQ3 受動的物体の幾何学的形状（例：楔形、ギア）は、アクティブラッチェット誘発輸送の大きさと方向にどのように影響を与えるか？
• RQ4 アクティブ物質におけるラッチェット逆転の背後にあるメカニズムは何か。また、これは共鳴条件および準粒子ダイナミクスとどのように関係しているか？
• RQ5 アクティブラッチェットを用いて非駆動粒子を輸送したり、マイクロマシンを構築することは可能か。その効率を左右する設計原則は何か？

主な発見

• アクティブラッチェットは、外部の交流または直流駆動がなくても、自己駆動が詳細なバランスを破ることで、基板の非対称性の「容易」方向に定常的な方向輸送を生じさせる。
• キヌクおよびアンチキヌクの形成といった集団的効果によりラッチェット逆転が発生し、出現する準粒子が逆転ポテンシャルを通過することで、全体の輸送方向が反転する。
• ファンネルアレイでは、真核細胞および泳ぐ細菌が、ファンネルの細い端の方向に定常的な輸送を示し、その効率は幾何学的形状と粒子密度に依存する。
• 非対称な受動的物体（例：マイクロシャトル）のコーナーにアクティブ粒子が蓄積され、楔の数が増えるに従い、その結果生じる定常力が増加する。これは、力の確率分布 p(f) が高値側にシフトすることで示されている。
• 実験により、細菌のバスタブが非対称ギアを持続的に回転させ、マイクロシャトルを駆動することが確認され、物体の複雑さが高くなるほど力が増加する。
• 理論的およびシミュレーション的結果から、アクティブ系におけるラッチェット効率は駆動パラメータに対して非単調的であり、活性度と基板の非対称性の最適なバランスが中程度の値でピークを示す。