人类精子能轻松在黏性惊人的流体中游动，似乎违背了牛顿第三运动定律。为探究它们如何穿过理论上应阻碍其运动的物质，京都大学数学科学家石本健太领导的团队几年前研究了精子及其他微观生物游泳者的运动。1686年艾萨克·牛顿爵士提出著名的运动定律时，试图用几条简洁原理解释物理对象与作用于其上的力的关系——但事实证明，这些原理未必适用于在黏性流体中蠕动的微观细胞。牛顿第三定律可概括为“每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用”，它体现了自然界中相反力相互作用的特定对称性。最简单的例子是，两个等大的弹珠沿地面滚动碰撞时，会根据该定律传递力并反弹">人类精子能轻松在黏性惊人的流体中游动，似乎违背了牛顿第三运动定律。为探究它们如何穿过理论上应阻碍其运动的物质，京都大学数学科学家石本健太领导的团队几年前研究了精子及其他微观生物游泳者的运动。1686年艾萨克·牛顿爵士提出著名的运动定律时，试图用几条简洁原理解释物理对象与作用于其上的力的关系——但事实证明，这些原理未必适用于在黏性流体中蠕动的微观细胞。牛顿第三定律可概括为“每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用”，它体现了自然界中相反力相互作用的特定对称性。最简单的例子是，两个等大的弹珠沿地面滚动碰撞时，会根据该定律传递力并反弹">人类精子能轻松在黏性惊人的流体中游动，似乎违背了牛顿第三运动定律。为探究它们如何穿过理论上应阻碍其运动的物质，京都大学数学科学家石本健太领导的团队几年前研究了精子及其他微观生物游泳者的运动。1686年艾萨克·牛顿爵士提出著名的运动定律时，试图用几条简洁原理解释物理对象与作用于其上的力的关系——但事实证明，这些原理未必适用于在黏性流体中蠕动的微观细胞。牛顿第三定律可概括为“每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用”，它体现了自然界中相反力相互作用的特定对称性。最简单的例子是，两个等大的弹珠沿地面滚动碰撞时，会根据该定律传递力并反弹。
然而自然界是混沌的，并非所有物理系统都受这些对称性约束。所谓的非互易相互作用出现在由成群鸟类、流体中的粒子以及游动精子构成的无序系统中。这些能动体的运动方式显示出与身后动物或周围流体的非对称相互作用，为大小相等、方向相反的力规避牛顿第三定律提供了漏洞。由于鸟类和细胞会产生自身能量（每次扇动翅膀或摆动尾巴都会向系统添加能量），系统被推离平衡态，相同的定律不再适用。
在2023年10月发表的研究中，石本及其同事分析了人类精子的实验数据，并模拟了绿藻衣藻的运动。两者均利用从细胞体伸出的细而柔韧的鞭毛游动，鞭毛通过改变形状或变形推动细胞前进。高黏性流体通常会耗散鞭毛的能量，使精子或单细胞藻类难以大幅移动，但弹性鞭毛不知何故能推动这些细胞前进，却未引发周围环境的反作用。
研究人员发现，精子尾部和藻类鞭毛具有“奇弹性”，这种特性使这些柔性附肢能在周围流体中活动而不会损失太多能量。但奇弹性这一特性无法完全解释鞭毛波动运动产生的推进力。因此，研究人员通过建模研究还推导出一个新术语——奇弯曲模量，以描述鞭毛的内部力学。研究人员总结：“从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇弯曲模量，以解读材料内部的非局部、非互易相互作用。”
该团队表示，这些发现有助于设计模仿生物材料的小型自组装机器人，而建模方法可用于更好地理解集体行为的基本原理。该研究发表于《PRX Life》。