气泡自发“驰骋”现象：振动诱导的界面共振自推进机制及其多领域应用

研究人员针对气泡在垂直振动流体腔中自发产生水平运动的机制展开研究，发现气泡通过形状振荡模态的共振相互作用实现自推进（称为“驰骋”现象）。该研究通过实验、模拟和理论模型证实，气泡可呈现直线、轨道和随机转向等多种运动模式，其速度可达0.5Rf（R为半径，f为频率），且无需依赖涡旋脱落即可在低黏度流体中运动。这一发现为微重力环境气泡操控、微流体传输和表面清洁等技术提供了新思路，成果发表于《Nature Communications》。

　　

气泡在自然界和工业应用中展现出令人着迷的行为，从达芬奇记录的螺旋上升路径到声场中“跳舞”的布朗运动式轨迹。然而，气泡在受限空间中的自发运动机制仍存在诸多未解之谜，尤其在微重力或复杂流体网络中，传统浮力驱动失效时，如何操控气泡成为技术瓶颈。针对这一问题，由美国普林斯顿大学Howard A. Stone团队和北卡罗来纳大学Pedro J. Sáenz团队合作，通过垂直振动激发气泡界面共振，首次揭示了气泡“驰骋”（galloping）的自推进机制，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用三种关键技术：1）高精度3D打印流体腔与同步振动控制（频率40 Hz，加速度γ=Aω²），实现气泡轨迹的动态追踪；2）基于Basilisk代码的Navier-Stokes方程模拟，解析气泡形变与流场耦合；3）球形谐波分解（Y_k^l模态）量化界面振荡谱，发现(3,1)非对称模态的关键作用。

Galloping bubbles
实验显示，硅油（5 cSt）中气泡在韦伯数We≈40时，通过(3,1)模态共振产生净位移Δx。高速摄影显示气泡运动速度达V=0.44V_bath（V_bath为振动速度），其轨迹可调谐为直线、环形或随机转向模式（图1b-d）。

Hemispherical bubbles
模拟证实半球形气泡（接触角90°）同样存在驰骋现象，验证了机制普适性。谱分析揭示(2,0)、(4,0)轴对称模态与(3,1)非对称模态的耦合是运动核心（图2g-h）。

Propulsion mechanism
惯性力主导的推进机制被证实：当Re>45时，理论预测速度V_t与模拟V_s误差<10%（图3d）。气泡通过周期性形变在前端吸入流体、后端排出，形成净动量。

Oscillator model
简化的振子模型（公式13）再现了对称性破缺：当驱动幅值超越阈值A_G，摆锤的径向振荡与角向参数不稳定性耦合，产生自推进（图4e）。

Proof-of-concept applications
概念验证展示了该机制在气泡分选（图5b）、微流控网络导航（图5d）和表面颗粒清除（图5e）中的潜力，尤其适用于太空设备中无浮力气泡移除（图5a）。

这项研究不仅揭示了流体-界面共振的新范式，更开辟了从热管理到软体机器人的多学科应用前景。其核心价值在于：1）提出无需涡旋的惯性推进原理，拓展了低黏度环境操控的可能性；2）建立的振子模型为其他活性物质系统提供了设计模板；3）技术演示验证了其在太空设备冷却等极端场景的实用性。正如作者所言，气泡仍是“流体力学持续馈赠的礼物”，而驰骋现象的发现再次证明了基础流体力学研究的广阔应用潜力。