近日，我校計量測試工程學院研究生應宇翔和姜童曉在流體力學國際權威期刊《Physics of Fluids》上發表了題為“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。

自驅動顆粒與被動顆粒不同，具有自我驅動的內在機制，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、自組裝、環境修復、水處理等工業過程中也逐漸獲得應用。

圖1 自然界中生物自驅動顆粒

圖2 人工合成自驅動顆粒

然而，耦合自驅動顆粒與流體的相互作用研究依舊是一個新的領域，許多機理性問題尚不明確。基于此，論文作者采用了自驅動顆粒模型—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動顆粒的5種典型運動模式（圖3），而且詳細闡述了自驅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，而且為重力感應人工智能化顆粒的設計提供了理論指導。

圖3 研究發現的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