[论文解读] Self-Propelled Rods: Linking Alignment-Dominated and Repulsion-Dominated Active Matter

Xia-qing Shi, Hugues Chaté|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2018

Micro and Nano Robotics被引用 29

一句话总结

本文提出了一种具有体积排斥相互作用的自驱动杆的鲁棒模型，表明通过调节杆的各向异性和排斥势的柔软度，可统一干活性物质中以Vicsek式对齐主导的动力学与自驱动相分离（MIPS）。关键发现是，极性团簇是真正密度分离态的有限尺寸微相，而向列条带在大尺度上不稳定，揭示了连接此前相互独立的活性物质区域的统一相图。

ABSTRACT

We study a robust model of self-propelled rods interacting via volume exclusion and show that its collective dynamics encompasses both that of the corresponding Vicsek-style model (where local alignment is the sole interaction), and motility-induced phase separation (which occurs when repulsion is dominant). These results unify these heretofore largely disconnected bodies of knowledge on dry active matter and clarify the nature of the various phases involved.

研究动机与目标

• 统一干系统中以对齐主导（Vicsek式）与排斥主导（MIPS）的活性物质现象。
• 解决自驱动杆中集体行为的脱节问题，其既不表现出标准Vicsek共存，也无稳定MIPS。
• 阐明自驱动杆系统中极性团簇与向列条带相的渐近性质。
• 通过改变杆长径比、堆积分数、噪声、排斥软度和运动各向异性，绘制完整的相图。
• 确定MIPS在各向异性粒子中是否持续存在，以及其如何过渡为极性团簇形成。

提出的方法

• 在周期性正方形域中模拟4000至64000个自驱动杆，采用过阻尼动力学和随机噪声。
• 通过体积排斥建模杆相互作用，使用软排斥势，力的方向由杆骨架间最短重叠线段决定。
• 引入可变软度参数S以控制重叠可能性并降低对齐刚性。
• 通过调节纵向与横向摩擦比（μ∥/μ⊥）和旋转摩擦（μθ）来调节运动各向异性。
• 利用稳态模拟和（ρ, S）、（μ∥/μ⊥, a）及（ρ, a）平面中的相图，映射集体态。
• 分析长时间动力学以评估向列条带的稳定性及团簇演化，区分湍流与玻璃态MIPS区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有体积排斥的自驱动杆中，Vicsek式对齐与MIPS现象如何共存或相互转化？
• RQ2 自驱动杆中的极性团簇相是否为真正的微相分离态，而非亚稳态团簇？
• RQ3 在大系统中，向列条带相的长期稳定性如何？
• RQ4 运动诱导相分离（MIPS）是否在各向异性杆中持续存在，若存在，其条件为何？
• RQ5 杆长径比、排斥软度和运动各向异性的变化如何连接Vicsek、MIPS与极性团簇区域？

主要发现

• 自驱动杆中的极性团簇是真正密度分离相的有限尺寸微相，而非亚稳态团簇态。
• 向列条带在长时间下不稳定并粗化为更大结构，表明其并非真正的渐近相。
• 当排斥软度参数S增加时，出现具有长程序和巨大数密度涨落的Vicsek式均匀向列相。
• 仅当通过降低横向和旋转摩擦（μ⊥, μθ）调节运动各向异性时，运动诱导相分离（MIPS）才在长杆中持续存在。
• 识别出三种不同的MIPS区域：湍流MIPS（a=3.5）、含气泡的玻璃态MIPS（a=0.2）以及晶体致密相，表明MIPS内部存在结构多样性。
• 当μ∥/μ⊥增加时，长杆的MIPS可直接过渡为极性团簇，通过运动各向异性将MIPS与团簇形成直接关联。