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:在自然和细胞生物学中,包括细胞变色器细胞变色器中,微软的细丝在自然和细胞生物学中都是无处不在的。在细胞变色器中,调整动作变色器的细丝使得细胞可以移动和分裂。模拟半伸缩纤维/聚合物的大多数方法都是基于离散的软体(贝德-连线或浮布-连线)模型,在计算流体动力学时,这种模型在滑动极限中变得非常昂贵。在本文中,我们开发了一种新型的粗略粗略的细丝丝线,在流体动力互动中,我们用微软体变色的细细丝丝丝线来模拟波动变色丝色的变色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色色的分,我们用两种变色变色变色变色变色的变色的变色的变色运动的变异体运动运动运动运动运动的流运动运动运动运动运动运动的变色运动运动运动运动运动运动的变色运动的变色运动运动运动, 在一个变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色的变色变色变色变色的变色的变色变色变色变色变色变色的变色的变色的变色变色变色变色变色变色的变色变色变色的变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色的变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图中, 上,我们的变色变色变色变色变色图图图图图图图中, 上,我们的变的变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色变色

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