西北大学物理学院软物质物理实验室（SMPL）创建于2009年，主要教职人员包括经光银教授、张策教授、刘亚楠教授、罗昊副教授、孙耽副教授、冯伟工程师等主要教职人员。聚焦软物质与生物物理的基本规律、新奇现象、物理机理研究，以及在群体智能与医学健康等方面的应用。主要关注活性物质物理与远离平衡态物理新兴前沿交叉研究，以生命活性物质、微生物、细胞为模型系统，以显微光学影像与图形识别分析为基础平台，自主研发高分辨微游泳体追踪平台、数字化微流控芯片技术，探究生命物质自主运动的物理规律、智能软物质的演化算法与实验操控，以物理视角为出发点，结合凝聚态物理、统计物理、流体力学、分子生物学、数值计算与数学建模方法，理解主动物质在生命过程中由简单到复杂，从单个到群体转变中，及生命形态与阶段由低级向高级发展过程中的物理学原理与定律，并能为医学健康中相关实际问题提供物理依据与技术方法。

软物质与生物物理属于软凝聚态物理，著名的理论物理学家Piere-Gilles de Gennes (徳热纳)在1991年获得诺贝尔物理学奖时，以Soft Matter（软物质）为演讲主题，宣告了软物质学科高光地进入人们的视野，让包罗万象、时刻触及却熟视无睹的物质如液滴、胶水、塑料、肥皂泡、生物膜及生命物质软组织等物理学家无暇顾及的“dirty system”走进物理定律与方程，更是以徳热纳个人独特学术魅力与人格，更以其迷人研究风格感召了一批批科学与技术的探险者。在过去几十年发展起来的经典软物质物理基础上，当前活性物质物理，被称为“活物质（Living matter）”的生命物质迅猛称为软物质物理的前沿，“Physics of Life”以其丰富内涵让这个领域成为生物物理与凝聚态物理的桥头堡。我们课题组将目光投向小尺度下物质/活物体的自主运动，探索“活”物质所遵循的物理规律，理解微尺度“主动”能量输入/转换的远离平衡态特性，探索信息处理、反馈响应与控制在简单生命体智能层面的有趣现象与问题，主要研究兴趣包括：

• 分子尺度：单细胞层面细菌鞭毛马达流变感知；

• 行为层级：细菌在复杂环境（复杂流体、复杂边界）自主运动策略与调控；

• 宏观系统：微游泳体的集群行为与群体竞争协作。

主要研究系统：

（1）微游泳体（Microswimmer）：主动冲浪者的故事。

生活经验告诉我们，物体在流水中通常做“随波逐流”的运动，例如，皮球在流动水面上跟随水流，漂流而下的细长竹筏尽管旋转但质心仍顺流而下，冲浪者随波体验速度与花样刺激。这些现象的共同特征是运动体质心沿着流线运动，而不能横向跨越流线。在小尺度下这个基本物理的制约使得物质定点输运、精准药物递送、微纳机器人导航面临巨大挑战。然而如果这些物体具有自驱动、自响应及自适应的“自我意识”，则可克服这个物理定律制约而改写整个故事。

自驱动物质或活性物质组成所有生命体的重要部分，可持续不断地将能量以不同形式转化为机械运动。爱因斯坦建立了微粒子的布朗运动，让人们见识了随机热运动让一切变得“无意义”，而正是自驱动活性物质“重拾秩序”让“活物质”成为Living organism。受到应用需求刺激，在小尺度（亚毫米）定位导航、精准外科手术、药物释放、微尺度下物质输送、微纳机器人研制等，对运动单元在无序复杂微环境介质中定向运动与导航具有重大应用价值。细菌作为一种天然“自驱动粒子”，其运动支撑着许多微观与宏观生命活动，研究细菌运动规律，对细胞、细菌等在微管道中分离与分类、设计功能性生物马达、微机器人、以及防治微生物污染、细菌感染等提供科学依据。

大肠杆菌是由一束左手螺旋鞭毛以约100赫兹逆时针转动，通过反作用力在流体中获得推力，以20～30微米每秒速度游动，当部分鞭毛反转时，细菌便转弯或转身，从而可类比于主动布朗粒子，依赖这种“低效”的扩散模式探索它们赖以生存的空间来觅食或逃生。显然，正如理论物理学家薛定谔指出的原子、分子热运动（布朗运动）让微小世界变得杂乱无章，需要借助外力驱使微粒做定向运动。构造一个具有空间不均匀的梯度场是个不错的想法。于是趋化性、驱热、趋光、趋磁、趋重力等效应在微生物的定向运动中备受关注。而驱流性（Rheotaxis）近年来才开始受到重视。由于细菌作为一类微游泳体（Microswimmer），微米尺度的身材使得布朗运动主导其游动的随机取向。流场可以产生应力作用于细菌整个表面，我们不禁好奇，做游泳运动的细菌是否在流速梯度场中展示出特殊的游动行为，是否能逃脱“随波逐流”的命运，而采取“智慧式”的响应与自适应行为？

微流控PDMS管道中细菌趋流运动显微观测。控制参数为Flow rate，与高度h，两者同时确定细菌所处位置的局域剪切率，流场为泊肃叶流，在宽度方向上可以认为剪切恒定（除了侧壁附近区域），而高度方向（z）线性剪切。定义导航角为\Psi, 仰角为\theta.

        2012年Roman Stocker课题组首次报道了具有手性细菌在剪切流中出现横向运动，然而这种横向“过河”运动与流场、布朗热运动、活性噪声、细菌取向等具有何种本质的物理机制都尚未明确。基于此，我们构建了一个精细的细菌显微跟踪实验，结合数值模拟，建立了精确流体物理模型，揭示了这种手性细菌驱流性的物理规律。首先，实验上，通过高速显微成像精确，我们精确测量了微流管道中细菌轨迹、速度大小与取向等细菌如何游动的精细细节。发现细菌可轻松跨越流线做垂直流场的横向迁移运动，在扁平微流控管道底部细菌沿着流场的“左手”边偏转迁移，而在管道顶部沿着流场方向的“右手”方向偏转。这种偏移运动随随流场增强而越显著。

细菌在微流管道中的游动规律。（A）与（B）为微流管道中细菌显微成像示意图；（C）与（D）为细菌在管道的底部与顶部偏离流线而分别向左与向右（顺着流场方向观察）；（E-G）为细菌横向速度与导航角在不同剪切率下概率分布及偏航示意图。

 

    流体物理角度来分析，细菌头部可看作细长的椭球，在剪切流场中会做经典的周期Jeffery轨道运动，即一边跟随流场被动输运，一边绕自身质心做周期运动，考虑热噪声与细菌主动运动，我们写出了速度与方向矢量演化方程。这里一个巨大挑战是，如何确立鞭毛手性引起的细菌方向矢量变化，幸运的是，我们凭借多年的研究经验与物理直觉推测出了此作用项，从而得到了实验、模拟、理论惊人的一致结果，从而建立了手性引起细菌运动驱流普适方程与规律。

Jeffery轨道运动与手性引起的驱流运动竞争机制。（A-B）给出了无手性的周期性Jeffery轨道运动与细菌手性引起的偏航游动；（C）展示不同剪切流场作用下手性引起的偏航稳定性相图，手性驱流迫使细菌趋于不稳定的不动点。（D）考虑不同控制参数剪切率、噪声强度、流场类型、手性强度等，最后（E-H）通过定义一个全新的无量纲“手性”数（Chirality number），获得了驱流运动的普适标度律。

   

在此之前，一直困扰着人们的一个问题是，如果剪切流场对手性粒子产生横向合力，那么当流场非常大时，细菌是否完全以90度角横向“过河”？对此，实验上存在挑战，理论上又由于无法解析地给出手性作用项而变得无能为力。很幸运，我们直觉地猜出这个手性作用项的表达式，让我们阐明了细菌驱流的稳态动力学，理论上重构了手性粒子在流场中运动的全景图。同时我们首次定义了一个新的无量纲数，即“手性”数（Chirality number），获得了驱流运动的普适标度律。

有趣的是，这是否意味着，如果考虑所有已知因素，细菌进入管道后，我们是否就可预测，在管道出口处细菌以何种形式、从什么地方游出吗，即预测它们的部分人生轨迹？答案跟前面薛定谔提出的问题类似，这一切不确定性来源于热噪声与细菌进化所形成的随机游动性，我们很难精确控制并诱使哪怕如此基本生物体的准确轨迹，这也是微纳马达机器人研究领域所要克服的难题。（更多细节可参考我们的论文https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abb2012）

细菌在水环境或生命体内的自驱动运动与物质输运，是支撑着许多微观与宏观生命活动的核心，通过研究细菌运动物理规律与生物功能活动的关联，理解生命体活动、演化规律，进而为防治微生物污染、医疗健康提供可控方法等实际应用。微生物如细菌总是在有界流体环境中开展生命活动，对于有限空间的环境，最常见的便是液体-固体界面对细菌运动产生限制效应。从原理上说，细菌的运动遵循流体力学的基本方程，其中核心的动力学方程纳维-斯托克斯方程，通常假定细菌的运动的环境流体在液体-固体边界遵循不可滑移边界条件，即固壁的速度与其临近的流体速度连续。如果介绍了界面滑移则对对细菌行为的影响将十分显著，界面在开放体系下的运动对于细菌液滴的蒸发、材料开放表面的抗菌等是非常有意义的。我们将构建一种特定的管道，形成收缩-扩展的几何管道形状，从而测定与理解细菌在这类特殊受限管道空间中的运动行为。

细菌通过旋转其螺旋式的鞭毛，从而获得推进往前游动，从物理角度当作一类自驱动粒子，区别与被动布朗运动粒子，细菌个体在微观层面上将能量输入系统，将系统带到远离平衡态。在这里，我们研究单个细菌自驱动运动在界面受限下特殊的运动行为。图中显示光学显微镜下，通过单粒子追踪技术（PTV）显示的单个细菌运动的复轨迹。

（2）细胞作为生命体最基本的功能单元之一，其迁移运动与内部肌动蛋白丝（Actin filament）的动态过程紧密相关。这类肌动蛋白丝可当作柔性链来建模，理解这类柔性链在经典流场中的运动、形态演化等细节可模型化细胞迁移、拥挤、通讯交流等过程提供物理模型。进一步，同活性流体模拟细胞内部复杂环境与流场，从而提供更多实际细节来理解细胞等基本运动。

Fig 4. 细菌运动搅动的流场，在特定条件下形成关联相干流场，为我们提供来一类有趣的、特殊的、重要复杂活性流场。

（3）细菌往往在复杂流体与复杂流动环境中开展生命运动，尤其以鞭毛驱动实现空间净位移，除了淡水这种简单液体以外，细菌耐以生存的大量复杂黏液包含聚合物与活性生命物质，这种非牛顿粘弹聚合物流体可与细菌持续交换动量与能量，从而改变细菌的运动行为。同时，流动的粘液还能诱导细菌做跨越流线的反常运动，另外，在复杂介质的边界上，气-液-固三相界面的界面张力对细菌运动增加了额外约束。然而，这些复杂流体与流动及复杂界面如何影响细菌游动策略与规律尚未可知。