如果你拿起一桶水氣球并推擠其中一個(gè)，相鄰的氣球也會(huì)做出反應(yīng)。這是一個(gè)放大的例子，展示了細(xì)胞集合和其他可變形顆粒填料如何響應(yīng)力。通過計(jì)算機(jī)模擬對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行建?？梢躁U明有關(guān)癌細(xì)胞如何侵入健康組織或葉子和花朵如何生長的問題。但是細(xì)胞聚集體的行為極其復(fù)雜，完全捕捉它們的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)已被證明是棘手的。

機(jī)械工程與材料科學(xué)、物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授 Corey O'Hern 實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員開發(fā)了可變形粒子的新型計(jì)算機(jī)模擬，可以更準(zhǔn)確地模擬它們的集體行為。該研究由博士 John Treado 領(lǐng)導(dǎo)。O'Hern 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和博士后研究員 Dong Wang。它最近發(fā)表在物理評(píng)論材料上。

構(gòu)成軟固體的細(xì)胞、氣泡、液滴和其他小顆粒——包括從蛋黃醬和剃須膏到細(xì)胞和組織的任何東西——都是高度可變形的。它們?nèi)绾胃淖冃螤钜约八鼈儗?duì)力的反應(yīng)方式存在顯著差異。

“粒子集合對(duì)施加力、粒子形狀和可變形性的響應(yīng)之間存在密切聯(lián)系，”Treado 說。“粒子可變形性決定了它們將如何移動(dòng)，因?yàn)樗鼈儽辉S多鄰居緊緊地壓縮在一起，他們從四面八方擠壓它們。”

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型通常將軟粒子表示為球體。當(dāng)球體相互擠壓時(shí)，模型通過使球體重疊來表示球體的變形。這種方法在一定程度上有效，但有關(guān)粒子形狀和相互作用的關(guān)鍵信息會(huì)丟失或被歪曲。

不過，O'Hern 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)模型，可以將粒子從松軟的、能夠輕松改變形狀的狀態(tài)調(diào)整到完全剛性的狀態(tài)。該模型將每個(gè)粒子視為連接的小球環(huán)。在模擬中，力被施加到球形珠子上，模型跟蹤連接的珠子如何改變位置和方向。

研究人員發(fā)現(xiàn)，允許集體的形狀變化會(huì)產(chǎn)生材料響應(yīng)，這是他們?cè)诠潭ㄇ蛐晤w粒時(shí)觀察不到的。結(jié)果強(qiáng)調(diào)了將形狀可納入組織、泡沫和其他由可變形顆粒組成的軟固體模型中的重要性。

“我們現(xiàn)在需要將模型擴(kuò)展到三個(gè)維度，更接近地模仿現(xiàn)實(shí)世界，”王說。“我們還可以將可變形粒子模型應(yīng)用于活躍的生物系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以形成群體、學(xué)校和羊群。”

Treado 和 Wang 目前也在使用這種新的計(jì)算機(jī)模型來研究腫瘤細(xì)胞如何侵入乳腺癌中的脂肪組織。在大多數(shù)癌癥中，腫瘤細(xì)胞可以改變其形狀以爬過致密組織、到達(dá)血管并擴(kuò)散到其他部位。

“我們現(xiàn)在正在尋求確定腫瘤細(xì)胞可變形性的物理極限，以及它們必須施加的力來推動(dòng)致密組織，”Treado 說。他們的工作可能會(huì)提高預(yù)測(cè)癌癥是否會(huì)轉(zhuǎn)移的能力。