人体血管中红细胞、白细胞、血小板等柔软细胞会随着心脏搏动而流动。尽管人们已经了解刚性粒子在稳态流中的运动状况，但由于很难通过实验同时追踪柔性粒子的形变及其在流道中的位置，因此类似细胞这样的柔性粒子究竟会聚集在管路内脉动流中的何处、如何保持稳定的流动等物理机制，此前一直未被阐明。
九州大学研究生院工学研究院的武石直树副教授与京都大学数理解析研究所的石本健太副教授、东京电机大学工学部横山直人教授、冲绳科学技术大学院大学马克·爱德华多·罗斯蒂副教授合作，通过数值模拟技术，发现管路内脉动流中流动的柔性粒子（由内部流体和膜构成的胶囊）会根据脉动频率（周期）和胶囊的变形量，在管路截面内的特定位置发生聚集现象。
图1.球形胶囊在管路脉动流中的运动轨迹（绿点为膜上标记点）（供图：九州大学武石直树副教授）
研究团队通过数值模拟重现了管路内脉动流中的胶囊流动，并针对脉动频率及胶囊膜的物理特性对胶囊运动开展了大规模数值解析。
在流速相对较快的条件下，研究团队发现了让胶囊能够持续稳定地在偏离流道中心位置流动的特定频率。这一特殊频率即使背景流速增加时也会普遍出现。
另一方面，研究团队发现在流速较慢的条件下，相较于稳态流场，胶囊会在该频率带内快速向管轴上聚集。
这些结果表明，柔性颗粒在流道中的运动不仅取决于此前已被指出的变形量，还与脉动频率相关，这意味着通过调节频率也可实现对流道内粒子位置的调控。
本次研究成果有望基于脉动频率调控变形量，可将这一全新原理应用于新的细胞分离技术、细胞诊断和药物研发筛选技术。相关研究成果已发表在《Journal of Fluid Mechanics》上。
武石副教授表示：“本次研究证实，柔性粒子在流道中的运动不仅取决于此前已被指出的变形量，还与脉动频率周期相关，并且可以通过调整频率来控制粒子在流道中的位置。未来，我们计划通过实验来验证数值模拟得出的上述结论，并致力于将其实际应用于细胞悬浊液的分离技术中。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Fluid Mechanics
论文：Inertial focusing of spherical capsule in pulsatile channel flows
DOI：10.1017/jfm.2025.184
