“活性物质”是利用非机械形式的能量实现自驱动（细菌等）或者对外做功（纤毛等）的物理系统的统称。在活性物质研究中，对于多鞭毛微生物运动行为的研究和设计是非常有趣的课题。

    多鞭毛微生物主要分为原核生物（例如大肠杆菌）和真核生物（例如单细胞藻类）两大类，它们通常具有不同数量的鞭毛。目前对原核生物中鞭毛在游泳中起到的作用已经有了较丰富的研究，但是真核生物中鞭毛设置（例如鞭毛的数量和位置等）对游泳体运动行为的影响仍不明确。近日，中国科学院理论物理研究所孟凡龙课题组，通过类比多鞭毛藻类构建了多鞭毛驱动的游泳体模型，基于非局域细长体理论的数值计算和渐进分析，研究了多鞭毛游泳体的游泳表现，包括游泳速度和效率等。

图 1：由多根弹性纤丝驱动的多鞭毛游泳模型。每根鞭毛围绕x轴摆动，x轴与游泳方向的夹角定义为固有倾角。图（a）为实验观测的多鞭毛单细胞藻类Pyramimonas cyrtoptera和Pyramimonas octopus [adapted from Wan and  Goldstein,PNAS 113,E2784 (2016)]。

    在同步摆动步态中，当固有倾角较小时，鞭毛之间的流体相互作用对游泳起促进效果，同时游泳速度随鞭毛根数的增加而增大。然而当固有倾角足够大时，相互作用对游泳起到抑制效果，同时游泳速度随着鞭毛根数的增大而降低。这是由于在小倾角下，扰动流场的方向和鞭毛运动方向相反，会增大鞭毛的弯曲程度从而增加推进力；但在大倾角下扰动流场的方向和鞭毛运动方向相同，所以减小推进力。

图 2：鞭毛同步摆动时，（a）鞭毛根数和（b）固有倾角对游泳速度的影响

    当鞭毛异步摆动时，鞭毛在边界处的机械耦合效应可以显著降低运动的振荡幅度，类似于惠更斯耦合双摆。作者发现机械耦合效应在大倾角下起会主导作用，通过增加相位差可以增加游泳速度。但在小倾角下，鞭毛之间的流体相互作用起主导，增加相位差会降低游泳速度。

图 3： 鞭毛异步摆动时相位差对游泳行为的影响

    作者最后研究了细胞体对游泳行为的影响。当鞭毛位于细胞体后端时，具备大固有倾角的游泳体存在最优鞭毛根数以实现最大游泳速度。当鞭毛位于细胞体前端时——类似自然界中的微藻类细胞，游泳体的游泳速度会随着鞭毛根数单调增加；这是由于细胞体表面曲率会扭曲扰动流场的流线，使其与鞭毛运动方向相反。

图 4：  鞭毛相对细胞体位置对游泳行为的影响

    这项研究工作不仅能够帮助揭示多鞭毛藻类的游泳机理，还为实验室设计制造新型微机器人提供了新思路。