[논문 리뷰] Scattering of biflagellate micro-swimmers from surfaces

Enkeleida Lushi, Kantsler외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 10.

Micro and Nano Robotics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 삼입자 스프링 모델을 사용하여 이강모세포의 표면과의 상호작용을 분석하여, 산산이 흩어지는 결과는 직접적인 유체역학적 접촉, 자가 추진 유동, 플라젤라 노이즈, 그리고 수영기 기하학의 균형에서 비롯됨을 밝혀냈다. 주요 발견은 기하학적 비대칭성과 세포의 자전이 기울어진 입사 각도에서 표면에 갇히는 것을 방지하는 데 필수적이라는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 표면으로부터의 이강모세포 수영기 산산이 흩어지는 메커니즘을 이해하기 위해.
• 유체역학적 유동, 직접 접촉, 그리고 확률적 노이즈가 수영기의 방향성과 표면에 갇히는 데 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 특히 기하학적 비대칭성의 역할을 평가하기 위해 수영기 기하학이 표면 부착에서의 탈출 역학에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 입사 각도와 자전 역학에 따라 표면에 머무르는 시간의 의존성을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 이강모세포의 비대칭 몸통과 두 개의 플라젤라를 표현하기 위해 삼입자 스프링 모델을 사용한다.
• 유체역학적 상호작용을 기술하기 위해 스토크스 유동 방정식을 사용하여 유체에 의해 전달되는 힘과 토크를 캡처한다.
• 생물학적 노이즈와 자전 역학을 시뮬레이션하기 위해 확률적 플라젤라 진동을 통합한다.
• 기하학적 접촉력에 의해 표면 충돌을 시뮬레이션하고 시간에 따라 방향성과 위치를 추적한다.
• 자기 추진력, 유체역학적 유동, 그리고 자전 노이즈 간의 상호작용이 탈출 확률을 결정하는 방식을 분석한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 입사 각도와 초기 조건에서의 역학을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라젤라 진동이 유도하는 유체역학적 유동이 표면에 대한 이강모세포의 방향성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 플라젤라 노이즈는 갇힌 표면에서 수영기를 탈출시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 입사 각도는 수영기가 표면에 갇혀 있는 기간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수영기 기하학적 비대칭성은 산산이 흩어지는 역학과 탈출 효율성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 직접 접촉과 유체역학적 힘 중 어느 것이 표면 산산이 흩어짐에 더 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• 표면 산산이 흩어짐은 주로 기하학적 의존성에 기반한 직접 접촉에 의해 주로 결정되지만, 유체역학적 유동은 수영기가 표면에 가까이 오거나 멀어지게 하는 방향을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 플라젤라 노이즈와 주축을 중심으로 한 자발적 자전은 표면에 갇힌 상태에서의 탈출 확률을 크게 향상시킨다.
• 수영기가 표면에 머무르는 시간은 입사 각도에 크게 의존하며, 거의 수직에 가까운 입사에서 더 오랜 갇힘 시간이 관찰된다.
• 기하학적 비대칭성을 해석하지 않는 최소 모델은 표면 근처의 이강모세포 수영기 역학을 정확히 기록하지 못한다.
• 유체역학, 노이즈, 기하학의 상호작용은 단일 효과에서 예측할 수 없는 비선형적인 산산이 흩어지는 행동을 유도한다.
• 운동에 의해 생성된 유체역학적 유동은 수영기의 방향성과 기하학적 형태에 따라 부착을 촉진하거나 탈출을 촉진할 수 있다.