Semiflexible slender filaments are ubiquitous in nature and cell biology, including in the cytoskeleton, where reorganization of actin filaments allows the cell to move and divide. Most methods for simulating semiflexible inextensible fibers/polymers are based on discrete (bead-link or blob-link) models, which become prohibitively expensive in the slender limit when hydrodynamics is accounted for. In this paper, we develop a novel coarse-grained approach for simulating fluctuating slender filaments with hydrodynamic interactions. Our approach is tailored to relatively stiff fibers whose persistence length is comparable to or larger than their length, and is based on three major contributions. First, we discretize the filament centerline using a coarse non-uniform Chebyshev grid, on which we formulate a discrete constrained Gibbs-Boltzmann equilibrium distribution and overdamped Langevin equation. Second, we define the hydrodynamic mobility at each point on the filament as an integral of the Rotne-Prager-Yamakawa kernel along the centerline, and apply a spectrally-accurate quadrature to accurately resolve the hydrodynamics. Third, we propose a novel midpoint temporal integrator which can correctly capture the Ito drift terms that arise in the overdamped Langevin equation. We verify that the equilibrium distribution for the Chebyshev grid is a good approximation of the blob-link one, and that our temporal integrator samples the equilibrium distribution for sufficiently small time steps. We also study the dynamics of relaxation of an initially straight filament, and find that as few as 12 Chebyshev nodes provides a good approximation to the dynamics while allowing a time step size two orders of magnitude larger than a resolved blob-link simulation. We conclude by studying how bending fluctuations aid the process of bundling in cross-linked networks of semiflexible fibers.


翻译:半柔性细丝在自然界和细胞生物学中无处不在,包括在细胞骨架中,其中肌动蛋白丝的重组使细胞能够移动和分裂。大多数模拟半柔性不可拉伸纤维/聚合物的方法基于离散(珠链或团链)模型,当考虑流体动力学时,这些模型在细长极限下变得极其昂贵。在本文中,我们开发了一种新的粗粒度方法,用于模拟具有流体动力学相互作用的涨落细丝。我们的方法专为持久长度与长度相当或更大的相对刚性纤维设计,基于三个主要贡献。首先,我们使用粗的非均匀切比雪夫网格对细丝中心线进行离散化,并在此网格上制定离散约束吉布斯-玻尔兹曼平衡分布和过阻尼朗之万方程。其次,我们将细丝上每一点的流体动力学迁移率定义为沿中心线对Rotne-Prager-Yamakawa核的积分,并应用谱精度求积法精确解析流体动力学。第三,我们提出了一种新颖的中点时间积分器,能够正确捕捉过阻尼朗之万方程中出现的伊藤漂移项。我们验证了切比雪夫网格的平衡分布能很好地近似团链模型的平衡分布,并且我们的时间积分器在足够小的时间步长下能采样平衡分布。我们还研究了初始直线细丝的松弛动力学,发现仅需12个切比雪夫节点即可很好地近似动力学,同时允许的时间步长比解析的团链模拟大两个数量级。最后,我们研究了弯曲涨落如何促进半柔性纤维交联网络中的成束过程。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
开源书:PyTorch深度学习起步
专知会员服务
51+阅读 · 2019年10月11日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
IEEE TII Call For Papers
CCF多媒体专委会
3+阅读 · 2022年3月24日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
VIP会员
最新内容
俄乌战争中关于中程打击无人机部署的经验启示
专知会员服务
0+阅读 · 13分钟前
《基于强化学习的自动化红队测试》
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
伊朗不对称防空战略的演进
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
对抗环境下超视距目标打击的情报支援
专知会员服务
10+阅读 · 7月22日
《无人机对海面作战影响评估》
专知会员服务
15+阅读 · 7月21日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
开源书:PyTorch深度学习起步
专知会员服务
51+阅读 · 2019年10月11日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
IEEE TII Call For Papers
CCF多媒体专委会
3+阅读 · 2022年3月24日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员