活性物質(zhì)是利用非機械形式的能量實現(xiàn)自驅(qū)動或者對外做功的物理系統(tǒng)的統(tǒng)稱。在活性物質(zhì)研究中，對于多鞭毛微生物運動行為的研究和設(shè)計是非常有趣的課題。多鞭毛微生物主要分為原核生物和真核生物，通常具有不同數(shù)量的鞭毛。目前，關(guān)于原核生物中鞭毛在游泳中的作用已有較豐富的研究，但真核生物中鞭毛設(shè)置如鞭毛的數(shù)量和位置等對游泳體運動行為的影響仍不明確。近日，中國科學(xué)院理論物理研究所孟凡龍課題組通過類比多鞭毛藻類構(gòu)建多鞭毛驅(qū)動的游泳體模型，基于非局域細長體理論的數(shù)值計算和漸進分析，探討了多鞭毛游泳體的游泳表現(xiàn)如游泳速度和效率等。研究顯示，在同步擺動步態(tài)中，當(dāng)固有傾角較小時，鞭毛之間的流體相互作用對游泳具有促進效果，同時游泳速度隨鞭毛根數(shù)的增加而增大。而當(dāng)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(shù)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；而在大傾角下擾動流場的方向和鞭毛運動方向相同，因而減小推進力。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鞭毛異步擺動時，鞭毛在邊界處的機械耦合效應(yīng)可以降低運動的振蕩幅度，類似于惠更斯耦合雙擺。機械耦合效應(yīng)在大傾角下起到主導(dǎo)作用，通過增加相位差可以增加游泳速度。而在小傾角下，鞭毛之間的流體相互作用占主導(dǎo)地位，增加相位差會降低游泳速度?？蒲腥藛T研究細胞體對游泳行為的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(yōu)鞭毛根數(shù)以實現(xiàn)最大游泳速度；當(dāng)鞭毛位于細胞體前端時，游泳體的游泳速度會隨著鞭毛根數(shù)單調(diào)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。上述成果能夠幫助科學(xué)家揭示多鞭毛藻類的游泳機理，并為實驗室設(shè)計制造新型微機器人提供新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。論文鏈接由多根彈性纖絲驅(qū)動的多鞭毛游泳模型