无燃料微游动体流体 swarm 中的合作

合作对 swarm 的生存至关重要$^1$。大规模合作使 murmuring 椋鸟能胜过捕食的隼$^2$，使 shoaling 沙丁鱼能骗过海狮$^3$，并使智人比其更新世同伴活得更久$^4$。在微米尺度上，细菌菌落表现出优异的韧性，这得益于个体即使在密集堆积时也能合作，缓解其内部流动模式以混合营养、阻挡免疫系统并抵抗抗生素$^{5-14}$。在微米尺度上制造人工 swarm 面临严峻挑战 $\frac{\;\;}{\;\;}$：虽然单个细菌拥有进化锻造的内部机制来产生推进力，但迄今为止，人工微游动体依赖其环境的精确化学组成来直接为其驱动供能$^{14-23}$。当拥挤时，人工微游动体为有限燃料供应局部竞争，在其合作倾向最强时相互抑制活动。本文我们引入一种不消耗化学燃料、仅由光驱动的人工微游动体。我们将光吸收粒子与流体液滴耦合，形成将光能转化为推进性热毛细作用的胶体嵌合体。游动体的内部驱动使其能长时间（数天）运行并保持活跃，其有效排斥相互作用允许高密度流体相。我们发现，在临界浓度以上，游动体形成显示内部动态的长寿命拥挤态。当引入被动粒子时，致密游动体相可重排并自发圈围被动粒子。我们通过确定被动粒子在控制微游动体有效浓度中的作用，推导出圈围的几何的、类排空条件。