3D中具视觉感知与速度对齐的智能活性布朗粒子的集体动力学：球体、棒与蠕虫
软凝聚态物质
2024-11-07 v1
摘要
许多生物系统，如鸟类和鱼类，展现出群体聚集和鱼群等集体行为。最近，一种活性胶体粒子实验系统被开发出来，其中每个粒子的运动能力根据其对周围粒子的视觉检测进行调整。这些具有视觉感知依赖运动性的粒子表现出群体形成和凝聚力。受这些行为的启发，我们通过计算机模拟研究了三维空间中具有视觉感知和速度对齐能力的智能活性布朗粒子（iABPs）。基于视觉感知的自导向描述了iABPs向其视觉锥内粒子质心移动的倾向，而速度对齐则鼓励与邻近粒子对齐。我们研究了行为如何随视觉锥角θ、自推进速度（Péclet数Pe）以及速度对齐（Ω_a）和基于视觉的自导向（Ω_v）的相互作用强度而变化。我们的结果表明，球状iABPs形成团簇、蠕虫状团簇、旋转行为和稀薄气体相，与二维研究一致。通过减小模拟盒尺寸，我们观察到额外的结构，如带状团簇和致密诱饵球结构。此外，棒状iABPs形成带状、蠕虫状、辐射状和螺旋结构，而iABP蠕虫则呈现流线型和团块状结构。这些模式中的许多类似于自然界中的集体行为，如蚁群旋转、鱼群诱饵体和蠕虫群落。合成技术的进步可能使具备类似能力的纳米机器人成为可能，并通过活性物质为多细胞系统提供见解。
引用
@article{arxiv.2411.03975,
title = {Collective Dynamics of Intelligent Active Brownian Particles with Visual Perception and Velocity Alignment in 3D: Spheres, Rods, and Worms},
author = {Zhaoxuan Liu and Marjolein Dijkstra},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.03975},
year = {2024}
}