[論文レビュー] Scattering of biflagellate micro-swimmers from surfaces

Enkeleida Lushi, Kantsler+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Micro and Nano Robotics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、三粒子ばねモデルを用いて、二鞭毛虫の微小遊泳体が表面とどのように相互作用するかを分析し、散乱が直接的な流体的接触、自己駆動流、フラッグエルノイズ、遊泳体の幾何学的形状のバランスから生じることを明らかにした。主な発見は、形状の非対称性と細胞の回転が、斜角で表面に捕らわれた状態から脱出する上で不可欠であるということである。

ABSTRACT

We use a three-bead-spring model to investigate the dynamics of bi-flagellate micro-swimmers near a surface. While the primary dynamics and scattering are governed by geometric-dependent direct contact, the fluid flows generated by the swimmer locomotion are important in orienting it toward or away from the surface. Flagellar noise and in particular cell spinning about the main axis help a surface-trapped swimmer escape, whereas the time a swimmer spends at the surface depends on the incident angle. The dynamics results from a nuanced interplay of direct collisions, hydrodynamics, noise and the swimmer geometry. We show that to correctly capture the dynamics of a bi-flagellate swimmer, minimal models need to resolve the shape asymmetry.

研究の動機と目的

• 固体表面からの二鞭毛虫の遊泳体の散乱を支配するメカニズムを理解すること。
• 流体力学的流れ、直接的接触、確率的ノイズが、遊泳体の向きや表面捕らわれに与える影響を特定すること。
• 特に形状の非対称性が、表面への付着からの脱出ダイナミクスに果たす役割を評価すること。
• 表面に滞在する時間の、入射角および回転運動への依存性を定量化すること。

提案手法

• 微小遊泳体の非対称な本体と二本のフラッグエルを表現するため、三粒子ばねモデルを採用する。
• ストークス流れ方程式を用いて流体媒介力およびモーメントをモデル化し、流体相互作用を捉える。
• 生物学的ノイズと回転運動を再現するため、確率的フラッグエルの拍動を組み込む。
• 幾何的接触力による表面衝突をシミュレートし、時間経過に伴う向きと位置を追跡する。
• 自己駆動、流体力学的流れ、回転ノイズの相乗作用が脱出確率に与える影響を分析する。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまな入射角および初期条件におけるダイナミクスを解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラッグエルの拍動によって生じる流体力学的流れが、表面に対して二鞭毛虫の向きにどのように影響を与えるか。
• RQ2 フラッグエルのノイズが、表面に捕らわれた遊泳体が脱出を可能にする役割は何か。
• RQ3 入射角が、遊泳体が表面に捕らわれた状態で滞在する時間にどのように影響するか。
• RQ4 遊泳体の形状非対称性が、散乱ダイナミクスおよび脱出効率に及ぼす影響の程度はどの程度か。
• RQ5 直接的接触と流体力学的力の、表面散乱に与える相対的寄与度は何か。

主な発見

• 表面散乱は主に幾何学的依存性を持つ直接的接触によって支配されるが、流体力学的流れが遊泳体の表面への接近または遠ざかりを方向付ける上で重要な役割を果たす。
• フラッグエルのノイズおよび主軸まわりの自発的回転が、表面捕らわれからの脱出確率を顕著に向上させる。
• 遊泳体が表面に滞在する時間は、入射角に強く依存しており、ほぼ垂直に近い入射角では長時間の捕らわれが観察される。
• 形状非対称性を解明しない最小限のモデルでは、表面付近における二鞭毛虫の遊泳体ダイナミクスを正確に再現できない。
• 流体力学的要因、ノイズ、幾何学的形状の相乗作用が、単独の効果からは予測できない非自明な散乱行動を生じさせる。
• 遊泳体の運動によって生じる流体力学的流れは、遊泳体の向きや形状に応じて、付着を促進するか、脱出を容易にするかの両方の役割を果たす可能性がある。