在水中，不是腿越多游得越快

近日，中國科學院理論物理研究所研究員孟凡龍課題組，通過類比多鞭毛藻類構建了多鞭毛驅動的游泳體模型，基于非局域細長體理論的數值計算和漸進分析，研究了多鞭毛游泳體的游泳表現，包括游泳速度和效率等。相關研究發表于《物理評論快報》。

“活性物質”是利用非機械形式的能量實現自驅動（細菌等）或者對外做功（纖毛等）的物理系統的統稱。在活性物質研究中，對于多鞭毛微生物運動行為的研究和設計是非常有趣的課題。

多鞭毛微生物主要分為原核生物（例如大腸桿菌）和真核生物（例如單細胞藻類）兩大類，它們通常具有不同數量的鞭毛。目前對原核生物中鞭毛在游泳中起到的作用已經有了較豐富的研究，但是真核生物中鞭毛設置（例如鞭毛的數量和位置等）對游泳體運動行為的影響仍不明確。

研究表明，在同步擺動步態中，當固有傾角較小時，鞭毛之間的流體相互作用對游泳起促進效果，同時游泳速度隨鞭毛根數的增加而增大。然而，當固有傾角足夠大時，相互作用對游泳起到抑制效果，同時游泳速度隨著鞭毛根數的增大而降低。這是由于在小傾角下，擾動流場的方向和鞭毛運動方向相反，會增大鞭毛的彎曲程度從而增加推進力；但在大傾角下擾動流場的方向和鞭毛運動方向相同，所以減小推進力。 

當鞭毛異步擺動時，鞭毛在邊界處的機械耦合效應可以顯著降低運動的振蕩幅度，類似于惠更斯耦合雙擺。研究者發現，機械耦合效應在大傾角下起會主導作用，通過增加相位差可以增加游泳速度。但在小傾角下，鞭毛之間的流體相互作用起主導，增加相位差會降低游泳速度。

研究者最后研究了細胞體對游泳行為的影響。當鞭毛位于細胞體后端時，具備大固有傾角的游泳體存在最優鞭毛根數以實現最大游泳速度。當鞭毛位于細胞體前端時——類似自然界中的微藻類細胞，游泳體的游泳速度會隨著鞭毛根數單調增加；這是由于細胞體表面曲率會扭曲擾動流場的流線，使其與鞭毛運動方向相反。

這項研究工作不僅能夠幫助揭示多鞭毛藻類的游泳機理，還為實驗室設計制造新型微機器人提供了新思路。

相關論文信息：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.204002