非互易相互作用导致有限系统中纤毛的快速同步

运动纤毛以不对称方式拍动以推进周围流体。当许多纤毛位于表面上时，它们的拍动可同步，使其相位形成行波（metachronal waves）。在此，我们计算研究了一个模型，其中每根纤毛表示为一个球形粒子，沿倾斜轨迹运动，具有位置相关的主动驱动力和位置相关的内部阻力系数。该模型因而考虑了纤毛拍动的所有本质破缺对称性。我们表明，考虑近场流体动力学相互作用时，纤毛间的有效耦合可变为非互易的：一根纤毛的相位受一侧相邻纤毛的影响强于受等距相反方向纤毛的影响。结果，同步从纤毛群边缘的种子开始并快速横穿系统传播，导致同步时间按系统线性尺寸成比例缩放。我们表明纤毛地毯具有三种不同速度：流体输运速度、行波相位速度和序传播群速度。与互易耦合系统不同，边界效应不妨碍同步，反而促成初始种子的形成。