Sperm cells bypass Newton's third law in viscous fluids

•這項開創性研究由京都大學的數學科學家石本健太（Kenta Ishimoto）領導，揭示了精子在微觀尺度下運動的獨特物理機制。
•「奇異彈性」（odd elasticity）是精子鞭毛所展現的一種特性，它允許主動物質產生不單純反映作用於其上的力的力量，從而在黏稠流體中維持波動並有效推進。
•研究團隊開發了一套名為「奇異彈性流體動力學」（odd elastohydrodynamics）的理論框架，用以描述精子運動過程，該框架有助於區分周圍流體效應與鞭毛內部機械作用。
•為驗證其理論，研究人員利用高速顯微鏡拍攝了人類精子細胞和團藻（Chlamydomonas）的運動，觀察其鞭毛的擺動模式。
•研究引入了「奇異彈性模數」（odd-elastic modulus）這一數學工具，用於量化生物纖維偏離普通彈性行為的程度，其數值越大表明內部分子馬達在驅動運動中佔主導地位。

主動物質系統 (Active Matter Systems)：精子被視為「主動系統」或「主動物質」，因為它們不斷將能量注入自身的運動中，這使其與牛頓第三定律更直接適用的被動系統有所區別。
奇異彈性 (Odd Elasticity)：與普通彈性材料中力和響應是互易的不同，奇異彈性允許由於內部能量源而產生非互易響應。這種特性使主動材料能夠通過準靜態變形循環對其周圍環境做功。
奇異彈性流體動力學框架 (Odd Elastohydrodynamics Framework)：此框架將彈性、流體流動和內部主動力統一為一套方程式。它預測一旦內部馬達啟動，鞭毛會自然地進入穩定的運動循環（稱為極限環），無需外部控制。
扇貝定理 (Scallop Theorem)：在微觀尺度下，慣性幾乎不相關，黏度佔主導地位。扇貝定理指出，微觀游泳者不能僅通過重複運動然後反轉來穿過黏性流體；前進需要不對稱、非互易的尾部運動。
實驗方法 (Experimental Methodology)：研究使用高速顯微鏡拍攝人類精子和團藻。通過追蹤尾部隨時間的位置，並將這些形狀映射到二維坐標系（「形狀空間」）中，以分析穩定的運動模式（極限環）。
奇異彈性模數 (Odd-Elastic Modulus)：此參數量化了生物纖維彈性行為偏離被動彈性的程度，反映了內部分子馬達在驅動運動中的主導作用。

促進微型機器人設計與工程。

理解精子如何在黏稠流體中高效運動，可為設計模仿生物材料的微型自組裝機器人提供新思路，特別是在藥物輸送或微流體應用中。

提升生殖醫學與不孕症治療。

深入了解精子運動的生物物理機制，有助於開發更精確的不孕症診斷方法和治療策略，例如改善精子篩選技術或提高受精能力。

拓展主動物質物理學的基礎理解。

這項研究揭示了主動物質系統中非互易相互作用和奇異彈性的新特性，深化了對非平衡態物理學和生物系統集體行為的理解。

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荷蘭科學家列文虎克首次觀察到精子，並提出了鞭毛是精子運動的關鍵結構。

2023-10

京都大學研究團隊（由數學科學家石本健太領導）在《PRX Life》期刊上發表了關於精子運動中「奇異彈性」和「奇異彈性流體動力學」的開創性研究，揭示了精子在高黏稠流體中繞過牛頓第三定律的機制。

2025-07

Earth.com 報導京都大學研究團隊關於精子鞭毛「奇異彈性」的發現。

2025-08

Earth.com 再次報導京都大學團隊關於精子尾部「奇異彈性」如何繞過牛頓第三定律的發現。

2026-05

SciTechDaily 和 cnBeta 等媒體報導京都大學關於精子運動「奇異彈性」繞過牛頓第三定律的最新研究。

精子在黏稠流體中繞過牛頓第三定律