[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用三珠-弹簧模型分析双鞭毛微小游泳体与表面的相互作用，揭示散射现象源于直接流体接触、自体推进流、鞭毛噪声与游泳体几何形状之间的平衡。关键发现是，形状不对称性与细胞自旋对于在倾斜入射角下逃离表面捕获至关重要。

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.

研究动机与目标

• 理解控制双鞭毛微小游泳体从固体表面散射的机制。
• 确定流体动力学流动、直接接触与随机噪声如何影响游泳体取向与表面捕获。
• 评估游泳体几何形状（尤其是形状不对称性）在表面黏附逃逸动力学中的作用。
• 量化表面驻留时间对入射角与旋转动力学的依赖性。

提出的方法

• 采用三珠-弹簧模型表示微小游泳体的非对称体部与两条鞭毛。
• 利用斯托克斯流方程建模流体相互作用，以捕捉流体介导的力与力矩。
• 引入随机鞭毛摆动以模拟生物噪声与旋转动力学。
• 通过几何接触力模拟表面碰撞，并随时间追踪取向与位置。
• 分析自体推进、流体动力学流动与旋转噪声之间的相互作用，以确定逃逸概率。
• 使用数值模拟解析不同入射角与初始条件下系统的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 鞭毛摆动产生的流体动力学流动如何影响双鞭毛游泳体相对于表面的取向？
• RQ2 鞭毛噪声在帮助被表面捕获的游泳体实现逃逸中发挥何种作用？
• RQ3 入射角如何影响游泳体在表面的驻留时间？
• RQ4 游泳体形状不对称性在多大程度上影响散射动力学与逃逸效率？
• RQ5 直接接触与流体动力学力在表面散射中的相对贡献是什么？

主要发现

• 表面散射主要由几何依赖的直接接触主导，但流体动力学流动在引导游泳体朝向或远离表面方面起着关键作用。
• 鞭毛噪声与绕主轴的自发旋转显著提高了从表面捕获中逃逸的概率。
• 游泳体在表面的驻留时间强烈依赖于入射角，近垂直入射时观察到更长的捕获时间。
• 不解析形状不对称性的最小化模型无法准确捕捉双鞭毛游泳体在近表面的动力学行为。
• 流体动力学、噪声与几何形状之间的相互作用导致非平凡的散射行为，无法从孤立效应中预测。
• 由运动产生的流体动力学流动可能促进黏附或促进逃逸，具体取决于游泳体的取向与几何形状。