站在乡野村边，一阵微风拂过，金黄色的麦子有节律的摆动起来，此起彼伏。“风吹麦浪”的美丽不仅仅存在宏观世界，在微观世界中也随处可见。生物系统中，微米尺度的纤毛广泛存在于微生物的体表和哺乳动物气管内，在一定条件下也可以呈现类似“风吹麦浪”的集体波式摆动。

单条生物纤毛可以通过消耗ATP作循环式的近圆周形运动；虽然每条纤毛的自身驱动是相对独立的，但是处在流体环境中的纤毛可以通过纤毛间相互作用呈现有规律的集体动力学行为，从而实现不同的生物学功能，例如草履虫利用纤毛集体摆动实现在流体中的游动和气管内纤毛利用集体波式摆动实现液体的高效定向运输。纤毛要实现特定（例如波矢，频率等）的集体波式摆动要满足什么物理条件，我们能否设计具有特定集体动力学特性的人工纤毛？

图一：单条纤毛运动轨道及纤毛阵列

ld体育网页端 副研究员孟凡龙，与英国布里斯托大学博士Rachel Bennett，日本东北大学副教授Nariya Uchida和德国马普动力学和自组织研究所教授Ramin Golestanian合作，通过构建解析模型，得到了纤毛在流体力学相互作用下实现集体波式摆动的物理条件及系统色散关系。研究表明，通过调控单条纤毛的运动行为（运动轨道和自驱动特性）以及改变纤毛阵列的几何结构，可以使纤毛实现不同波矢和频率的集体波式摆动。此工作不仅能够帮助理解生物系统中微尺度纤毛的集体行为，也能够对设计实现特定集体行为的人工合成纤毛系统提供理论指导。

图二：纤毛的集体运动

该研究成果近日发表在PNAS，论文的具体内容参考：https://www.pnas.org/content/118/32/e2102828118