密歇根大学的物理学家设计了一种操纵活性流体的方法，活性流体是一种由独立单元组成的流体，可以通过利用流体中的拓扑缺陷来独立推动自身。

研究人员表示，他们可以使用类似于光镊的镊子(高度聚焦的激光，可用于推动原子和其他微观和亚微观材料)来操纵流体的拓扑缺陷并控制这些活性流体的流动方式。这项研究由密歇根大学物理学家苏拉吉·尚卡尔(SurajShankar)领导，发表在《美国国家科学院院刊》上。

香卡说，你可以把活跃的液体想象成一群鸟。在一阵低语声中，一大群八哥鸟会齐声扭动，形成云朵的形状。但是，虽然咕噜声看起来像是作为一个有机体在移动，但这种运动是由个体鸟类由各自的翅膀驱动的。

类似地，活性流体由单个成分组成，如水中的细菌或晶体中的原子，但Shankar表示，如果受到光照或通过化学反应获得“食物”，每个单元都会自行移动。研究人员之前曾对细菌进行改造，这样当他们将光线照射到细菌上时，液体中的一些细菌游得更快，而另一些细菌游得更慢。

“你可以随心所欲地改变这种模式。通过改变细菌在局部游动的速度，你可以画出名人的脸，或者改变它，制作成风景画，”密歇根大学物理学助理教授Shankar说。

“鉴于这些实验平台存在，我们现在能够通过控制物体移动的速度来操纵这些材料，我们问：我们能否开发一个框架来控制组成活性流体的物体的局部速度，以便我们能够系统地控制它们?”

该研究团队还包括加州大学圣塔芭芭拉分校的克里斯蒂娜·马尔凯蒂(CristinaMarchetti)和马克·鲍威克(MarkBowick)以及卢卡·沙雷尔(LucaScharrer)等合著者，后者在加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)本科期间进行了大部分研究。

该团队专注于一种流行的活性流体，称为向列液，由液晶组成，与构成智能手机、平板电脑和电脑显示器的液晶相同。尚卡说，这些液晶是由长分子组成的流体，它们可以排列并变得有序，就像火柴盒中的火柴或堆积起来并顺流而下的原木一样。

但在化学反应的驱动下，这些向列流体变得活跃并具有泵送流体的能力，这使得它们可以在没有外部施加的力或压力梯度的情况下移动。

Shankar及其同事利用这一特征，并应用数学中的对称、几何和拓扑原理来开发设计原理，使研究人员能够控制向列流体内单个晶体的轨迹。

他们的方法依赖于这些棒状物体在液体中排列方式的差异。它们可能在某些点上错位，这导致液晶在错位点周围弯曲，就像河流中的漩涡一样。

香卡说，这会在液体中产生不同的图案，类似于指纹的脊线。在液晶中，有些点的晶体线会弯曲，看起来像彗星，或者形成看起来像梅赛德斯标志的符号。

如果向系统添加能量并使流体活跃，这些称为拓扑缺陷的图案就会活跃起来。

“这些图案开始移动，它们驱动并搅动流体，几乎就像它们是实际的粒子一样，”Shankar说。“控制与缺陷相关的这些单个图案似乎比控制流体中的每个微观成分更简单。”

该项目始于Scharrer开发模拟来模拟主动流体流动并跟踪拓扑缺陷的位置，试图验证Shankar和Marchetti提出的假设。Scharrer和团队向其他研究人员展示了他的模拟结果，发现了如何用数学解释这些复杂的响应并将其转化为缺陷控制的设计原则。

在这项研究中，Scharrer创造了使用他们所谓的主动拓扑镊子来创建、移动和编织拓扑图案的方法。这些镊子可以通过控制化学活动驱动流体泵送区域的结构和范围，沿着时空轨迹传输或操纵这些缺陷，就好像它们是粒子一样。由此产生的活性流体围绕拓扑缺陷漩涡的运动使其能够永不停歇地运动。

“我认为这项工作是一个很好的例子，说明与问题或利润驱动的工作相比，好奇心驱动的研究如何能够引导我们走向完全意想不到的技术方向，”现为芝加哥大学博士生的沙勒说。

“我们之所以启动这个项目，是因为我们对拓扑缺陷的基本物理感兴趣，并意外发现了一种控制活性生物和仿生流体的新方法。如果我们从一开始就把这个最终目标牢记在心，谁知道我们是否会有所发现。”

研究人员还展示了简单的活动模式如何控制大量不断驱动湍流混合流的旋转缺陷。

Shankar表示，尽管这一领域尚属新兴，而且目前他们的方法已通过计算模型得到验证，但未来人们可以利用这一概念创建用于诊断目的的微型测试系统或微型反应室。另一个潜在应用领域可能是软机器人或软系统，其中计算能力可以分布在柔软、灵活的材料中。

尚卡说：“这些是不寻常的流体，具有非常令人兴奋的特性，它们在物理和工程学方面提出了非常有趣的问题，我们希望能够鼓励其他人思考这些问题。”

“鉴于我们展示的这个系统中的这个框架，希望其他人可以采取类似的想法并将其应用到他们最喜欢的模型和最喜欢的系统中，并希望做出同样令人兴奋的其他发现。”

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