[论文解读] Activity induced synchronization

Demian Levis, Ignacio Pagonabarraga+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation被引用 3

一句话总结

本文提出，自推进可引致活性振子中的宏观同步，从而产生两种新相态：通过相反手性相互抑制实现的集体运动（类比于 flocking 群集行为），以及按手性分离形成的同步簇。与被动系统不同，这种同步通过运动性与相位协调之间的正反馈回路实现，使得在二维系统中仅通过局部相互作用即可实现全局有序。

ABSTRACT

Synchronization, the emergence of temporally coordinated behavior in large populations of interacting elements, occurs on many different length scales, from biological to social systems, generating phenomena like the unison flashing of fireflies, the collective firing of neurons and the coordinated motion of crowds of people falling into step on the London millennium bridge. Although synchronizing entities often self-propel, like fireflies, people, etc., the present understanding of synchronization applies mostly to immobile phase oscillators. Here, we show that self-propulsion qualitatively affects the synchronization of oscillators in a way that it is impossible in passive systems. This activity-induced macroscopic synchronization generates two novel phases: one where oscillators of opposite chirality, rotating clock-wise or anti-clockwise, mutually suppress their rotations and cooperate to move collectively along a given direction, akin to the celebrated homogeneous flocking phase in active matter; and a second phase where oscillators segregate accordingly to their chirality and form synchronized macroscopic clusters. In both phases, self-propulsion supports synchronization via a positive feedback loop involving motility, a mechanism which is absent in traditional (static or dynamic) networks of oscillators and induces macroscopic synchronization in a 2D system with purely local interactions.

研究动机与目标

• 理解自推进如何改变振子群体的同步动力学，相较于被动系统有何不同。
• 识别在具有局部相互作用的二维系统中，活性所诱导的新宏观同步相态。
• 揭示运动性作为正反馈机制在实现无全局耦合的全局同步中的作用。

提出的方法

• 使用最小活性物质框架对自推进振子进行建模，强调局部相互作用。
• 将手性（顺时针与逆时针旋转）作为振子动力学中的关键变量引入。
• 在二维系统中进行模拟，观察不同活性水平下涌现的集体行为。
• 通过测量同步与集体运动的序参量分析相变行为。
• 识别运动性与相位对齐之间的反馈回路作为宏观有序的驱动力。
• 与被动振子模型进行对比，以分离出自推进的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与被动系统相比，自推进如何改变振子群体中同步的涌现？
• RQ2 在仅具有局部相互作用的二维系统中，活性如何引发新的集体相态？
• RQ3 运动性能否作为正反馈机制，以维持活性振子网络中的全局同步？
• RQ4 具有相反手性的振子在活性条件下如何相互作用，会涌现出何种行为？
• RQ5 在振子具有自推进能力时，局部相互作用在实现宏观同步中起到何种作用？

主要发现

• 自推进使一种新型同步相态成为可能：相反手性的振子相互抑制旋转，并协同向单一方向运动，类似于均匀的群集行为。
• 第二种截然不同的相态出现：振子按手性分离，并形成同步的宏观簇。
• 该同步由运动性与相位对齐之间的正反馈回路维持，这种机制在被动振子网络中不存在。
• 在仅具有局部相互作用的二维系统中即可实现全局同步，挑战了传统上认为需要全局耦合的观念。
• 该机制具有鲁棒性，且与静态或动态网络中的传统同步机制在定性上截然不同。
• 结果表明，仅靠活性本身即可驱动宏观有序，无需外部控制或长程相互作用。