[论文解读] Giant Number Fluctuations in Self-Propelled Particles with no Alignment

Yaouen Fily, M. Cristina Marchetti|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2012

Micro and Nano Robotics被引用 1

一句话总结

本研究探讨了一类自驱动极性圆盘系统，其具有各向同性排斥力和旋转噪声，但无对齐相互作用，结果表明，即使在无对齐的情况下，相分离和巨量数波动也会在非平衡态下由自驱动驱动的活性系统中普遍出现。结果揭示，此类行为是局部驱动活性物质的普遍特征，与极性序无关。

ABSTRACT

We study numerically and analytically a model of self-propelled polar disks on a substrate in two dimensions. The particles interact via isotropic repulsive forces and are subject to rotational noise, but there is no aligning interaction. As a result, the system does not exhibit an ordered state. The isotropic fluid phase separates well below close packing and exhibits the large number fluctuations and clustering found ubiquitously in active systems. Our work shows that this behavior is a generic property of systems that are driven out of equilibrium locally, as for instance by self propulsion.

研究动机与目标

• 理解无极性序的活性物质系统中团簇和大范围数波动的出现机制。
• 研究各向同性相互作用和自驱动是否足以在二维活性系统中引发相分离。
• 确定所观察到的波动是否为局部非平衡驱动的普遍结果，与对齐机制无关。
• 建立一个最小化的活性物质模型，其表现出集体行为但无方向对齐。

提出的方法

• 在二维基底上对具有各向同性排斥相互作用的自驱动极性圆盘进行数值模拟。
• 引入旋转噪声以模拟随机再定向，且粒子之间无任何对齐相互作用。
• 对系统的流体动力学行为进行解析建模，以理解大范围数波动的起源。
• 通过粒子密度分布和数波动统计研究系统的相行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在粒子之间完全无对齐相互作用的情况下，相分离和巨量数波动是否仍可在活性系统中出现？
• RQ2 自驱动和各向同性排斥在驱动大尺度团簇和非平衡波动中起什么作用？
• RQ3 所观察到的行为是否为局部驱动活性系统的普遍特征，与极性序无关？
• RQ4 仅靠各向同性相互作用和旋转噪声如何导致活性物质中的宏观异质性？

主要发现

• 即使在远低于紧密堆积密度时，系统仍会相分离为高密度团簇和低密度区域，尽管不存在对齐相互作用。
• 在流体相中观察到巨量数波动，表明存在强烈的宏观异质性。
• 由于自驱动带来的局部非平衡驱动，团簇和大波动持续存在，而非源于方向序。
• 该行为是局部非平衡驱动系统的普遍特征，表明其广泛适用于具有各向同性相互作用的活性物质。