通过二阶趋肤效应的拓扑设计实现活性粒子的引导聚集

在不使用外场的情况下对远离平衡的系统进行集体引导，是活性物质中一项极为重要的挑战，其范围涵盖细菌菌落到自驱动粒子群。设计引导活性物质的策略并利用与其运动相关的增强扩散，将为从传感、药物递送到水修复等应用提供见解。然而，在不破坏细致平衡（例如通过非对称地形 patterning）的情况下实现定向运动颇具挑战。在此，我们设计了一种单元胞内保持细致平衡的二维周期地形结构，其中我们观察到自驱动粒子的自发边缘引导与角点聚集。这一涌现行为由二阶非厄米趋肤效应——一种拓扑鲁棒的非平衡现象——所保证，我们借此动态地打破细致平衡。我们的随机电路模型在无拟合参数的情况下预测了引导与聚集如何被设计所调控与增强：当刻画器件的拓扑不变量非零时，器件引导粒子的效率更高。我们的工作在活性物质与拓扑物质之间建立了富有成效的桥梁，且我们的设计原则为设计展现由非平衡拓扑保证的自发、鲁棒且可预测的引导运动与聚集的器件提供了蓝图。