[논문 리뷰] Auto-chemotactic micro-swimmer suspensions: modeling, analysis and simulations

Enkeleida Lushi, Raymond E. Goldstein외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 28.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 자가화학성향 작용과 수영세포 집합체 내의 유체역학적 유동을 통합한 결합 동역학 모델을 개발하여, 특히 '푸셔' 수영자에서 기인하는 집단적 유체 유동이 농도가 높은 영역을 분해함으로써 무한대 집합을 억제하고, 유체역학 피드백을 통해 집단적 운동을 안정화시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Microorganisms can preferentially orient and move along gradients of a chemo-attractant (i.e., chemotax) while colonies of many microorganisms can collectively undergo complex dynamics in response to chemo-attractants that they themselves produce. For colonies or groups of micro-swimmers we investigate how an "auto-chemotactic" response that should lead to swimmer aggregation is affected by the non-trivial fluid flows that are generated by collective swimming. For this, we consider chemotaxis models based upon a hydrodynamic theory of motile suspensions that are fully coupled to chemo-attractant production, transport, and diffusion. Linear analysis of isotropically ordered suspensions reveals both an aggregative instability due to chemotaxis that occurs independently of swimmer type, and a hydrodynamic instability when the swimmers are "pushers". Nonlinear simulations show nonetheless that hydrodynamic interactions can significantly modify the chemotactically-driven aggregation dynamics in suspensions of "pushers" or "pullers". Different states of the dynamics resulting from these coupled interactions in the colony are discussed.

연구 동기 및 목표

• 집단 수영에 의해 자가 생성된 유체 흐름이 미생물 집합체 내 자가화학성향 집합에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 운동하는 집합체에서 화학성향 집합과 유체역학적 불안정성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 유체역학적 상호작용이 고전적 화학성향 모델에서 알려진 유한시간 폭발을 초래하는 수영자 밀도의 증가를 방지할 수 있는지 확인하기 위해.
• 유체 매개 피드백을 통해 집합 동역학을 형성하는 데 있어 '푸셔'와 '풀러' 수영자의 기여를 구분하기 위해.
• 달리기-얽힘 화학성향의 운동학 모델을 활성 집합체 이론과 통합된 프레임워크로 통합하기 위해.

제안 방법

• 수영자 방향과 위치 운동을 화학유인물질 생산, 확산, 자가 생성된 유동에 의한 이송과 연계한 운동학 모델을 수립한다.
• 활동 집합체의 유체역학 이론을 활용하여 집단적 유체 유동을 모델링하며, 스트레스렛 특성에 따라 '푸셔'와 '풀러' 수영자를 구분한다.
• 등방성 집합체에 대해 선형 안정성 분석을 적용하여 두 가지 독립된 불안정성, 즉 화학성향 집합과 '푸셔' 전용의 유체역학적 정렬 불안정성을 식별한다.
• 비선형 시뮬레이션을 수행하여 완전히 결합된 시스템의 진화를 추적하며, 수영자 밀도, 화학유인물질 필드, 유체 속도 필드를 분석한다.
• 달리기-얽힘 운동을 운동학 프레임워크에 통합하여 유한한 수영 속도와 기울기 변화에 대한 현실적인 화학성향 반응을 가능하게 한다.
• 모델의 타당성을 검증하기 위해 알려진 극한 조건에 대해 검증한다: 유체역학이 없는 경우 켈러-세겔 모델로 축소되며, 화학성향이 없는 경우 세인트일랑 및 셸리의 활성 집합체 모델로 축소된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집단 수영에서 기인하는 자가 생성 유체 유동은 자가화학성향 집합의 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 화학성향 집합과 유체역학적 불안정성 간의 상대적 역할은 수영자 군집의 안정성과 형태에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 유체역학적 상호작용은 고전적 화학성향 모델에서 흔히 관찰되는 수영자 밀도의 유한시간 폭발을 방지할 수 있는가?
• RQ4 수영자의 기계적 특성(푸셔 대비 풀러)은 화학성향과 유체 매개 동역학 간의 상호작용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 유체역학적 유동은 자가화학성향에 의해 형성된 농도가 높은 군집을 얼마나 분해하거나 재구성하는가?

주요 결과

• 선형 안정성 분석 결과, 두 가지 독립된 불안정성이 존재함을 밝혀내었으며, 하나는 화학성향에 의해 유도되는 집합 모드이고, 다른 하나는 '푸셔' 수영자에 특화된 유체역학적 불안정성으로 대규모 정렬을 촉진함.
• 비선형 시뮬레이션 결과, '푸셔' 집합체는 복잡한 유체 유동을 생성하여 농도가 높은 군집을 분해하고 산산이 흩트려서 최대 수영자 밀도를 제한하고 폭발을 방지함.
• 유체역학적 상호작용은 선형 유체역학적 불안정성이 지배적이지 않은 영역에서도 자가화학성향 패턴의 형태와 동역학을 크게 변화시킴.
• 모델은 집단적 유동이 집합을 자연스럽게 조절하는 역할을 할 수 있으며, 추가적인 포화 항목 없이도 군집의 안정성을 보장하는 물리적 메커니즘을 제공함을 보여줌.
• 시뮬레이션 결과, 화학성향과 유체역학의 상호작용이 외부 자극 없이도 필라멘터리한 구조와 국소적 밀도 변동을 포함한 복잡한 비균일한 동역학을 유도함을 확인함.
• 모델의 예측 결과는 E. coli 집합 및 파동 형성과의 실험 관측 결과와 일치하며, 유체역학이 주요 구동력은 아니지만 중요한 역할을 함을 시사함.