人體血管中紅血球、白血球、血小板等柔軟細胞會隨著心臟搏動而流動。儘管人們已經瞭解剛性粒子在穩定狀態流中的運動狀況，但由於很難通過實驗同時追蹤柔性粒子的形變及其在流道中的位置，因此類似細胞這樣的柔性粒子究竟收歛集在管路內脈動流中的何處、如何保持穩定的流動等物理機制，此前一直未被闡明。
九州大學研究生院工學研究院的武石直樹副教授與京都大學數理解析研究所的石本健太副教授、東京電機大學工學部橫山直人教授、沖繩科學技術大學院大學馬克·愛德華多·羅斯蒂副教授合作，通過數值模擬技術，發現管路內脈動流中流動的柔性粒子（由內部流體和膜構成的膠囊）會根據脈動頻率（周期）和膠囊的變形量，在管路截面內的特定位置發生聚集現象。
圖1.球形膠囊在管路脈動流中的運動軌跡（綠點為膜上標記點）（供圖：九州大學武石直樹副教授）
研究團隊通過數值模擬重現了管路內脈動流中的膠囊流動，並針對脈動頻率及膠囊膜的物理特性對膠囊運動開展了大規模數值解析。
在流速相對較快的條件下，研究團隊發現了讓膠囊能夠持續穩定地在偏差流道中心位置流動的特定頻率。這一特殊頻率即使背景流速增加時也會普遍出現。
另一方面，研究團隊發現在流速較慢的條件下，相較於穩定狀態流量場，膠囊會在該頻率帶內快速向管軸上聚集。
這些結果表明，柔性顆粒在流道中的運動不僅取決於此前已被指出的變形量，還與脈動頻率相關，這意味著通過調節頻率也可實現對流道內粒子位置的調控。
本次研究成果有望基於脈動頻率調控變形量，可將這一全新原理應用於新的細胞分離技術、細胞診斷和藥物研發篩選技術。相關研究成果已發表在《Journal of Fluid Mechanics》上。
武石副教授表示：「本次研究證實，柔性粒子在流道中的運動不僅取決於此前已被指出的變形量，還與脈動頻率周期相關，並且可以通過調整頻率來控制粒子在流道中的位置。未來，我們計劃通過實驗來驗證數值模擬得出的上述結論，並致力於將其實際應用於細胞懸濁液的分離技術中。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Fluid Mechanics
論文：Inertial focusing of spherical capsule in pulsatile channel flows
DOI：10.1017/jfm.2025.184
