细菌整流中的输运与能量学

随机运动的活性粒子可被非对称几何结构引导为定向运动。尽管这种整流过程因其基础、生物学和技术相关性而被广泛研究，但基于单粒子动力学的活性物质整流的综合理解仍难以捉摸。在此，通过结合实验、模拟与理论，我们研究了游动细菌穿过漏斗形障碍物——活性物质整流的范式模型——时的定向输运与能量学。我们发展了细菌整流的无参数微观模型，其定量解释了实验与数值观测，并预测了最大整流效率的最优几何。此外，我们量化了时间不可逆的程度，并测量了与细菌整流相关的可提取功。我们的研究为细菌整流中长期存在的问题提供了定量解答，并建立了时间不可逆性、粒子通量与可提取功之间的普适关系，从而阐释了生命系统非平衡整流过程中的能量学。