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反应扩散系统中时空动力学的特定外部驱动

Specific external forcing of spatiotemporal dynamics in reaction-diffusion systems.

作者信息

Lebiedz Dirk, Brandt-Pollmann Ulrich

机构信息

Interdisciplinary Center for Scientific Computing, Im Neuenheimer Feld 368, D-69120 Heidelberg, Germany.

出版信息

Chaos. 2005 Jun;15(2):23901. doi: 10.1063/1.1886285.

DOI:10.1063/1.1886285
PMID:16035896
Abstract

Self-organization behavior and in particular pattern forming spatiotemporal dynamics play an important role in far from equilibrium chemical and biochemical systems. Specific external forcing and control of self-organizing processes might be of great benefit in various applications ranging from technical systems to modern biomedical research. We demonstrate that in a cellular chemotaxis system modeled by one-dimensional reaction-diffusion equations particular forms of spatiotemporal dynamics can be induced and stabilized by controlling spatially distributed influx patterns of a chemical species as a function of time. In our model study we show that a propagating wave with certain shape and velocity and static symmetrical and asymmetrical patterns can be forced and manipulated by numerically computing open-loop optimal influx controls.

摘要

自组织行为,尤其是模式形成的时空动力学,在远离平衡态的化学和生化系统中起着重要作用。自组织过程的特定外部驱动和控制在从技术系统到现代生物医学研究的各种应用中可能会带来巨大益处。我们证明,在由一维反应扩散方程建模的细胞趋化系统中,通过控制作为时间函数的化学物质的空间分布流入模式,可以诱导和稳定特定形式的时空动力学。在我们的模型研究中,我们表明,通过数值计算开环最优流入控制,可以强制和操纵具有特定形状和速度的传播波以及静态对称和不对称模式。

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