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How hydrodynamics influences the collective motion of microswimmers: A particle-based simulation study

流体动力学如何影响微型游泳者的集体运动：基于粒子的模拟研究

基本信息

批准号：
254465319
负责人：
Professor Dr. Holger Stark
金额：
--
依托单位：
Institut für Theoretische Physik
依托单位国家：
德国
项目类别：
Priority Programmes
财政年份：
2014
资助国家：
德国
起止时间：
2013-12-31 至 2022-12-31
项目状态：
已结题

来源：
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/254465319?language=en
关键词：
How hydrodynamics influences collective motion

项目摘要

Microswimmers are systems in non-equilibrium and show a variety of intriguing collective motional patterns ranging from density waves and convection rolls to turbulence. The collective dynamics of microswimmers, active rods, and filaments is often modeled on the basis of coarse-grained continuum theories or with particle-based simulations, where hydrodynamic flow fields are neglected. In the second period of the priority program we will continue with our study, how hydrodynamics influences the collective motion of microswimmers. We will use the parallelized computer code, developed in the first period, where a collection of the model swimmers called squirmers is simulated in a fluid environment using the simulation technique of multi-particle collision dynamics (MPCD).We will continue our investigation of the collective dynamics of microswimmers under gravity concentrating on the formation of floating rafts, which are seen in active emulsions, and on the effect of an aligning torque (bottom-heavy swimmers). Here, intriguing collective patterns such as convection rolls and plumes are expected reminiscent of bioconvection of microorganisms. We then glue squirmers together to form active rods and flexible filaments. They will enable us to explore how the full hydrodynamics influences collective patterns such as bacterial turbulence or density waves and the intriguing dynamics of liquid-crystal defects in systems of dense active bio-polymers. Real microswimmers typically move in a viscoelastic environment. We will thus implement a viscoelastic fluid in MPCD and show how this changes the motion of single and a collection of squirmers.

微游泳者是处于非平衡状态的系统，表现出各种有趣的集体运动模式，从密度波和对流卷到湍流。微游泳体、活性杆和细丝的集体动力学通常是基于粗粒度连续体理论或基于颗粒的模拟来建模的，而这些理论忽略了流体动力流场。在优先项目的第二个阶段，我们将继续我们的研究，水动力学如何影响微型游泳者的集体运动。我们将使用在第一阶段开发的并行计算机代码，其中使用多粒子碰撞动力学（MPCD）模拟技术在流体环境中模拟一组称为蠕动者的模型游泳者。我们将继续研究重力作用下微游泳者的集体动力学，集中研究浮筏的形成，这在活性乳剂中可以看到，以及对齐扭矩的影响（底部重的游泳者）。在这里，有趣的集体模式，如对流卷和羽流，预计会让人想起微生物的生物对流。然后我们把蠕动的纤维粘在一起，形成有活性的杆状纤维和柔韧的细丝。它们将使我们能够探索完整的流体动力学如何影响集体模式，如细菌湍流或密度波，以及密集活性生物聚合物系统中液晶缺陷的有趣动力学。真正的微游泳者通常在粘弹性环境中运动。因此，我们将在MPCD中实现粘弹性流体，并展示这如何改变单个和一组蠕动器的运动。

项目成果

期刊论文数量（64）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Snapping elastic disks as microswimmers: swimming at low Reynolds numbers by shape hysteresis.

将弹性盘折断为微型游泳器：通过形状滞后在低雷诺数下游泳

DOI：
10.1039/d0sm00741b
发表时间：
2020
期刊：
Soft matter
影响因子：
3.4
作者：
C. Wischnewski;J. Kierfeld
通讯作者：
J. Kierfeld

Cyclic Nucleotide-Specific Optogenetics Highlights Compartmentalization of the Sperm Flagellum into cAMP Microdomains

DOI：
10.3390/cells8070648
发表时间：
2019-07-01
期刊：
CELLS
影响因子：
6
作者：
Raju, Diana N.;Hansen, Jan N.;Wachten, Dagmar
通讯作者：
Wachten, Dagmar

Computational models for active matter

DOI：
10.1038/s42254-020-0152-1
发表时间：
2019-10
期刊：
Nature Reviews Physics
影响因子：
38.5
作者：
M. R. Shaebani;A. Wysocki;R. Winkler;G. Gompper;H. Rieger
通讯作者：
M. R. Shaebani;A. Wysocki;R. Winkler;G. Gompper;H. Rieger

Moving charged particles in lattice Boltzmann-based electrokinetics.

基于晶格玻尔兹曼的动电学中移动带电粒子

DOI：
10.1063/1.4968596
发表时间：
2016
期刊：
The Journal of chemical physics
影响因子：
0
作者：
M. Kuron;G. Rempfer;F. Schornbaum;M. Bauer;C. Godenschwager;C. Holm;J. de Graaf
通讯作者：
J. de Graaf

Critical behavior of active Brownian particles