[論文レビュー] Stop-and-go droplet swimmers

Babak Vajdi Hokmabad, Ranabir Dey+6 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Micro and Nano Robotics被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、自己駆動型ドロップレットスイマーにおける二様な歩行スイッチングを示し、粘性度が準球形運動から混沌とした運動への動的転移を制御することを明らかにした。ドロップレットは自己生成された化学勾配を通じて歩行をスイッチし、生物学的マイクロスイマーの自己回避的探索に類似した異常拡散を実現する。

ABSTRACT

To explore and react to their environment, living micro-swimmers have developed sophisticated strategies for locomotion - in particular, motility with multiple gaits. To understand the physical principles associated with such a behavioural variability,synthetic model systems capable of mimicking it are needed. Here, we demonstrate bimodal gait switching in autophoretic droplet swimmers. This minimal experimental system is isotropic at rest, a symmetry that can be spontaneously broken due to the nonlinear coupling between hydrodynamic and chemical fields, inducing a variety of flow patterns that lead to different propulsive modes. We report a dynamical transition from quasi-ballistic to bimodal chaotic motion, controlled by the viscosity of the swimming medium. By simultaneous visualisation of the chemical and hydrodynamic fields, supported quantitatively by an advection-diffusion model, we show that higher hydrodynamic modes become excitable with increasing viscosity, while the recurrent mode-switching is driven by the droplet's interaction with self-generated chemical gradients. We further demonstrate that this gradient interaction results in anomalous diffusive swimming akin to self-avoiding spatial exploration strategies observed in nature.

研究の動機と目的

• マイクロスイマーにおける行動の多様性の背後にある物理的メカニズムを理解すること。特に二様な運動行動に注目する。
• 自然界で観察される複雑な運動パターンを再現する最小限の合成モデル系を開発すること。
• 流体力学的場と化学的場がどのように結合して自発的な対称性の破れと歩行スイッチングを可能にするかを調査すること。
• 自己生成された化学勾配が反復的なモードスイッチングおよび異常拡散を駆動する役割を明らかにすること。

提案手法

• 粘性度の高い媒体中における自己駆動型ドロップレットを用い、化学的場と流体力学的場の非線形結合によって対称性の破れを誘発する。
• ドロップレットの運動およびモード遷移を追跡するために、化学濃度場と流れ場を同時に可視化する。
• 流体の流れとの化学種の輸送および相互作用を定量的に記述するために、対流拡散モデルを適用する。
• 媒体の粘性度を系統的に変化させ、高次の流体力学的モードの励起を制御する。
• 軌道パターンの分析により、準球形運動と混沌とした運動の間の遷移を特定する。
• 時間に対する平均二乗変位のスケーリングを計算することで、異常拡散を定量的に評価し、自己回避的行動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性度が自己駆動型ドロップレットにおける準球形運動モードと混沌とした歩行モードの間の遷移をどのように制御するか？
• RQ2 自己生成された化学勾配が反復的な歩行スイッチングを可能にする役割は何か？
• RQ3 流体力学的場と化学的場がどのように結合して対称性を破り、推進を開始するか？
• RQ4 ドロップレットの運動が、生物学的マイクロスイマーの戦略に類似した異常拡散をどの程度示すか？
• RQ5 観察された歩行スイッチングは、化学輸送の対流拡散モデルによって定量的に説明可能か？

主な発見

• 媒体の粘性度が上昇するに従い、準球形運動から二様な混沌とした運動への動的転移が発生する。
• 粘性度が上昇するにつれて高次の流体力学的モードが励起され、複雑な流れのパターンが生成され、歩行スイッチングを可能にする。
• 反復的な歩行スイッチングは、外部刺激ではなく、ドロップレットが自己生成した化学勾配との相互作用によって駆動される。
• 本系は異常拡散を示し、平均二乗変位が時間に対して非線形にスケーリングし、自己回避的空間的探索に類似した挙動を示す。
• 化学的場と流体力学的場の同時可視化により、対称性の破れと推進を引き起こす非線形結合が確認された。
• 対流拡散モデルは観察された動的挙動を定量的に再現し、化学勾配フィードバックが歩行スイッチングに果たす役割を裏付けた。