在日常标准上，水对人体而言是相对“轻巧”的流体，但在微不雅标准，流体的行动更像是一堵厚重的阻力墙：惯性几乎可以忽视，黏性占据主导，一旦停止用力推动，物体几乎会急速停下。对于精子如许的小标准游动者而言，每一次尾部摆动之间不存在“滑行”阶段，假如鞭毛停止拍动，进步就会刹时终止。这引出了所谓“扇贝定理”：在高度黏性流体中，纯真反复做完全可逆的往返活动，无法产生净位移，微不雅游动者要想进步，必须依附弗成逆的、具有时光偏向性的活动模式。
精子经由过程鞭毛来“破解”这一物理难题。鞭毛是一种细长、柔性的尾状构造，其内部分布着大年夜量分子马达，能沿着鞭毛长度偏向产生行进波，让全部尾巴像一条赓续传递波动的“主动鞭子”。类似的构造也存在于绿色藻类衣藻（Chlamydomonas）等微生物身上，它们同样依附鞭毛在黏性格况中游动。因为分子马达赓续向体系注入能量，鞭毛表示得不再像被动受力的弹簧，而更像一种内部驱动的“活性材料”。
研究团队聚焦于这种活性资估中一种被称为“奇怪弹性”（odd elasticity）的特点。在通俗弹性资估中，力与响应是互易的：你如何拉伸或曲折材料，它就以响应方法回弹，遵守类似“感化力—反感化力”对称关系。然而在主动资估中，内部能量源可以让材料产生一种非互易响应，即受到外力时产生的反响力不再简单地“镜像”外力，这种非对称的力学行动有助于保持行进波，即便黏稠流体在赓续消费体系的机械能。
为描述这一过程，研究者提出了“奇怪弹—流体动力学”（odd elastohydrodynamics）理论框架。这一框架旨在体系描述弹性材料在黏性流体中所表示出的“非局域、非互易”互相感化，并区分出哪些效应来源于四周流体阻力，哪些则源于材料内部的主动驱念头制。研究团队指出，假如只从宏不雅拖曳效应出发，往往会掩盖鞭毛内部真正产生波动的力学本质，是以有须要在理论大将两者拆分。他们还引入了一个“奇怪弹性模量”，作为区分通俗弹性响应与主动非互易力学行动的数学对象。
在模型验证方面，研究人员将这套理论分别应用于人类精子的实验数据和衣藻鞭毛的摆动数据。成果显示，人类精子的鞭毛波重要依附内部主动活动产生，而被动弹性则在个中起到稳定波形、赞助其合时放松的感化。对于衣藻，模型中推导出的非互易响应与其鞭毛实际拍动产生的波型高度吻合，进一步支撑“奇怪弹性”在驱动微不雅游动中的关键感化。
研究团队据此认为，这一框架可以或许揭示活性材料内部“非局域、非互易”的内涵互相感化机制。通俗地说，精子的尾巴并不是一根被外力甩动的小鞭子，而是一个持续消费能量的复杂构造，其内部动力学使它能在“通俗来去活动无法进步”的物理世界中，仍然成功向前游动。作者强调，所谓“绕开”牛顿第三定律，并非真正意义上的违背根本物理定律，而是因为将精子视为“开放体系”：大年夜量微不雅主动单位持续向体系注入能量，从而打破了我们在封闭、被动体系中习惯看到的力学对称性。
这项研究的意义已经超出精子本身。研究者指出，这种理论视角有助于更深刻懂得从单个细胞到调和成群的“集体游动者”在复杂流体情况中的活动规律。从应用角度看，“奇怪弹—流体动力学”的分析思路也有望为设计微不雅自组装机械人、人工微型游动器以及模仿生命活动的柔性材料供给理论指导。相干成果揭橥于2023年10月的期刊 PRX Life，论文题为《Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid》。
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