近日，我校計量測試工程學院研究生應(yīng)宇翔和姜童曉在流體力學國際權(quán)威期刊《Physics of Fluids》上發(fā)表了題為“Study on the sedimentation and interaction of two squirmers in a vertical channel”的研究論文，闡述了自驅(qū)動顆粒在重力作用下的運動及相互作用特性。論文通訊作者為聶德明教授，浙江大學林建忠教授為論文工作的合作指導教師。

自驅(qū)動顆粒與被動顆粒不同，具有自我驅(qū)動的內(nèi)在機制，例如自然界的藻類（硅藻、衣藻等），菌類（球菌、桿菌、螺旋菌等）以及細胞（精子、白細胞等）等，如圖1所示。它們在流體中的運動往往取決于流體作用及顆粒自驅(qū)強度之間的競爭，因此其行為較之被動顆粒更為豐富且復雜。另一方面，人工合成自驅(qū)動顆粒（人工細胞組織、含磷膠體顆粒、微型游動器件和機器人等）在靶向給藥、精確手術(shù)、自組裝、環(huán)境修復、水處理等工業(yè)過程中也逐漸獲得應(yīng)用。

圖1 自然界中生物自驅(qū)動顆粒

圖2 人工合成自驅(qū)動顆粒

然而，耦合自驅(qū)動顆粒與流體的相互作用研究依舊是一個新的領(lǐng)域，許多機理性問題尚不明確。基于此，論文作者采用了自驅(qū)動顆粒模型—Squirmer游動速度方程，并通過格子Boltzmann方法模擬了它們在重力場中的運動行為及相互作用。論文不僅揭示了自驅(qū)動顆粒的5種典型運動模式（圖3），而且詳細闡述了自驅(qū)動顆粒之間的相互吸引、排斥及同步振動的機制（圖4）。特別地，論文針對自驅(qū)動顆粒在壁面附近的行為進行了細致分析，從顆粒周圍的壓力分布及其導致的顆粒受力（力矩）角度來闡明其與壁面的相互作用機理（圖5），這不僅為某些微生物在壁面附近的活動行為提供了合理解釋，而且為重力感應(yīng)人工智能化顆粒的設(shè)計提供了理論指導。

圖3 研究發(fā)現(xiàn)的Squirmer的運動模式

圖4 兩個Squirmer的軌跡曲線及其周圍的壓力分布

圖5 Squirmer在壁面附近的壓力分布及受到的力矩示意圖

該論文的研究工作得到了國家自然科學基金重點項目（12132015）及面上項目（11972336）的資助。論文的鏈接為：

https://aip-scitation-org-s.video.cjlu.edu.cn:8118/doi/10.1063/5.0107133