[论文解读] Stop-and-go droplet swimmers

Babak Vajdi Hokmabad, Ranabir Dey+6 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Micro and Nano Robotics被引用 2

一句话总结

本研究展示了自泳滴液推进器中的双模态步态切换现象，其中粘度控制着准弹道运动到混沌运动的动态转变。滴液通过自身产生的化学浓度梯度实现步态切换，从而实现类似生物微小推进器的自避让探索的异常扩散行为。

ABSTRACT

To explore and react to their environment, living micro-swimmers have developed sophisticated strategies for locomotion - in particular, motility with multiple gaits. To understand the physical principles associated with such a behavioural variability,synthetic model systems capable of mimicking it are needed. Here, we demonstrate bimodal gait switching in autophoretic droplet swimmers. This minimal experimental system is isotropic at rest, a symmetry that can be spontaneously broken due to the nonlinear coupling between hydrodynamic and chemical fields, inducing a variety of flow patterns that lead to different propulsive modes. We report a dynamical transition from quasi-ballistic to bimodal chaotic motion, controlled by the viscosity of the swimming medium. By simultaneous visualisation of the chemical and hydrodynamic fields, supported quantitatively by an advection-diffusion model, we show that higher hydrodynamic modes become excitable with increasing viscosity, while the recurrent mode-switching is driven by the droplet's interaction with self-generated chemical gradients. We further demonstrate that this gradient interaction results in anomalous diffusive swimming akin to self-avoiding spatial exploration strategies observed in nature.

研究动机与目标

• 理解微小推进器行为多样性背后的物理机制，特别是双模态运动行为。
• 开发一个最小化的合成模型系统，以复现自然界中观察到的复杂运动模式。
• 研究流体动力场与化学场如何耦合，以实现自发对称性破缺与步态转换。
• 探讨自生化学浓度梯度在驱动周期性模式切换与异常扩散中的作用。

提出的方法

• 利用粘性介质中的自泳滴液，通过化学场与流体动力场之间的非线性耦合诱导对称性破缺。
• 通过同步可视化化学浓度场与流场，追踪滴液动力学与模式转换过程。
• 应用对流-扩散模型，定量描述化学物质在流体流动中的输运与相互作用。
• 系统性地改变介质粘度，以控制更高阶流体动力学模态的激发。
• 通过轨迹模式分析，识别准弹道运动与混沌运动模式之间的转变。
• 通过计算均方位移随时间的标度关系，量化异常扩散行为，以评估自避让特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 粘度如何控制自泳滴液在准弹道与混沌步态模式之间的转变？
• RQ2 自生化学浓度梯度在实现周期性步态切换中发挥何种作用？
• RQ3 流体动力场与化学场如何耦合以打破对称性并启动推进？
• RQ4 滴液运动在多大程度上表现出类似生物微小推进器策略的异常扩散行为？
• RQ5 观察到的步态切换能否通过化学物质输运的对流-扩散模型进行定量解释？

主要发现

• 随着介质粘度增加，系统发生从准弹道运动到双模态混沌运动的动态转变。
• 随着粘度增加，更高阶流体动力学模态变得可激发，形成复杂流场模式，支持步态切换。
• 周期性步态切换由滴液与自生化学浓度梯度的相互作用驱动，而非外部刺激。
• 该系统表现出异常扩散行为，其均方位移随时间呈现非线性标度，类似于自避让的空间探索。
• 化学场与流体动力场的同步可视化证实了导致对称性破缺与推进的非线性耦合关系。
• 对流-扩散模型能定量复现观测到的动力学行为，验证了化学浓度梯度反馈在步态转换中的关键作用。