[论文解读] Relating microswimmer synthesis to rheotactic tunability

Quentin Brosseau, Florencio Balboa Usabiaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Micro and Nano Robotics参考文献 60被引用 14

一句话总结

本研究证明，通过在合成过程中调节金/铂长度比，可调控金/铂 Janus 微型游泳器的趋流行为——即其在流动中逆流游泳的能力。实验与模拟结果表明，具有拉力器特征的游泳器（前部驱动）表现出最稳定的趋流性，因其与壁面的倾角更大，从而可通过基于趋流响应的微流控筛网实现几何分选。

ABSTRACT

We explore the behavior of micron-scale autophoretic Janus (Au/Pt) rods, having various Au/Pt length ratios, swimming near a wall in an imposed background flow. We find that their ability to robustly orient and move upstream, i.e. to rheotax, depends strongly on the Au/Pt ratio, which is easily tunable in synthesis. Numerical simulations of swimming rods actuated by a surface slip show a similar rheotactic tunability when varying the location of the surface slip versus surface drag. Slip location determines whether swimmers are Pushers (rear-actuated), Pullers (front-actuated), or in between. Our simulations and modeling show that Pullers rheotax most robustly due to their larger tilt angle to the wall, which makes them responsive to flow gradients. Thus, rheotactic response infers the nature of difficult to measure flow-fields of an active particle, establishes its dependence on swimmer type, and shows how Janus rods can be tuned for flow responsiveness. We demonstrate the effectiveness of a simple geometric sieve for rheotactic ability.

研究动机与目标

• 建立微型游泳器合成（金/铂比例）与其流体动力学驱动机制之间的直接联系。
• 研究游泳器类型（推力器、拉力器、对称型）如何影响其在壁面附近的趋流响应。
• 开发一种基于趋流可调性的方法，对混合微型游泳器群体进行分选。
• 通过表面滑移驱动游泳器的数值模拟验证实验观测结果。
• 证明趋流性可作为推断活性粒子未知流体动力学流场的代理指标。

提出的方法

• 通过电沉积法合成金/铂 Janus 棒，调节金/铂长度比（1:1、3:1、1:3），以控制驱动位置。
• 在具有受控剪切流的矩形 PDMS 微流控通道中进行实验，测量逆流游泳速度。
• 对棒状游泳器进行数值模拟，其驱动机制基于表面滑移，通过改变滑移位置以模拟推力器、对称型和拉力器类型。
• 采用边界积分法模拟游泳器与壁面在流动下的流体动力学相互作用。
• 设计一种发散型微流控通道（趋流筛），利用不同趋流响应实现群体分选。
• 通过时间积分密度分布和筛网结构中速度符号变化量化游泳器行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 Janus 棒中的金/铂长度比如何影响其在壁面受限流动中的趋流响应？
• RQ2 游泳器类型（推力器、拉力器、对称型）与相对于壁面的倾角之间存在何种关系？
• RQ3 趋流行为能否用作推断微型游泳器流体动力学驱动机制的代理指标？
• RQ4 微流控筛网在多大程度上可基于趋流可调性对混合微型游泳器群体实现分选？
• RQ5 表面滑移驱动游泳器的数值模拟结果与实验观测在定量上如何对比？

主要发现

• 具有拉力器特征的游泳器（铂端更长）表现出最稳健的趋流性，在相近剪切速率下，其逆流速度约为推力器型游泳器的两倍。
• 游泳器相对于壁面的倾角是决定趋流成功与否的主导因素，拉力器表现出最大的倾角。
• 实验与模拟结果在定量上高度一致，证实趋流响应主要由表面滑移分布和游泳器类型决定。
• 具有发散结构的微流控筛网可有效根据趋流行为对游泳器进行分选，密度峰值出现在净速度符号发生变化的位置。
• 筛网中局部游泳器密度分布显示出从逆流到顺流运动转变处的明显浓度峰值，表明分选效果显著。
• 数值建模证实，仅靠流体动力学相互作用——无需化学梯度——即可产生足够倾角以实现趋流性，验证了表面滑移模型的有效性。