Физика микропловцов — движение отдельных частиц и коллективное поведение: обзор

Локомоция и транспорт микроорганизмов в жидкостях являются важнейшими аспектами жизни. Поиск пищи, ориентация на свет, распространение потомства и формирование колоний возможны только благодаря локомоции. Плавание на микроуровне происходит при малых числах Рейнольдса, когда сопротивление и вязкость жидкости преобладают над инерцией. В процессе эволюции сформировались механизмы движения, позволяющие преодолевать сопротивление и даже использовать его. К основным механизмам движения относятся вращение спиральных жгутиков, используемое многими бактериями, а также змеевидное или хлыстообразное движение эукариотических жгутиков, характерное для сперматозоидов и водорослей. Для искусственных микропловцов можно применять альтернативные подходы к преобразованию химической энергии или тепла в направленное движение, которые потенциально могут быть более эффективными. Динамика микропловцов включает множество аспектов, необходимых для осуществления локомоции. В этой статье рассматриваются физические основы движения биологических и синтетических микропловцов, а также коллективное поведение их ансамблей. Начиная с отдельных микропловцов, мы описываем различные механизмы движения биологических и синтетических систем и рассматриваем гидродинамические аспекты плавания. Сюда относятся синхронизация и согласованное биение жгутиков и ресничек. Кроме того, исследуется поведение пловцов вблизи поверхностей. Наконец, обсуждаются коллективные и кооперативные явления у различных типов изотропных и анизотропных пловцов — как при наличии, так и при отсутствии гидродинамических взаимодействий.