北理工联合首体院以三维跨尺度仿生模拟破解精子运动谜题
2026 年 3 月 12 日，北京理工大学徐远清教授课题组联合首都体育学院曲永存副教授课程组联合发表论文《A Microtubule-sliding-based Sperm Model for Near-wall Swimming Dynamics》，论文发表于应用数学与工程建模领域国际权威期刊《Applied Mathematical Modelling》。该研究提出一种基于 “微管滑移” 的三维精子运动推进模型，首次实现精子从鞭毛微观结构演化到宏观运动模态的跨尺度模拟，清晰解答了精子在流体环境中的运动推进机制，为相关领域研究提供了全新的技术手段。论文第一作者为北京理工大学许都昌博士，首都体育学院为研究提供了重要的精子运动形态参考。
自人类精子被发现的三百余年来，其在流体空间中的具体运动推进方式始终未被明确。传统研究多通过预设宏观运动方程开展分析，难以建立起精子微观结构变化与宏观运动行为之间的定量关联，也无法完整解析其运动推进的内在机理。此次研究团队的成果，打破了这一长期研究瓶颈，为该领域的探索提供了新的研究范式。
该模型基于浸入边界-格子Boltzmann方法构建。研究以精子鞭毛经典的 “9+2” 微管结构为基础，利用节点弹簧模型模拟微管结构，让各微管之间通过弹性连接维持结构稳定性，同时保留一定的形变能力，力求还原精子的微观结构特征。
图1 精子“9+2”微管鞭毛结构建模
研究中创新采用反向建模结合正向拟合的技术手段，先通过外部力诱导精子产生不同运动模态，提取出微管的伸缩规律和关键角度的变化规律，再基于这些规律拟合出微管伸缩方程和角度演化方程，以此实现内力驱动，展现出宏观的运动模态，如平面摆动、螺旋运动及自体扭转等典型运动模式，进而在流体中实现运动推进。
图2 螺旋运动与自转的反向建模，获得微管伸缩与关键角度变化规律
该模型遵从第一性原理，依据“9+2”微管结构构建精子的鞭毛，其精子的宏观运动及推进效果，均是其微观结构自然演化的结果，而非通过假定宏观运动方程实现，这是该研究的核心特色。借助这一模型，可明确解析精子三维运动的结构力学机制。研究发现：平面摆动与推进仅依靠微管的伸缩即可实现，无需空间结构的角度演化参与；而螺旋运动及其推进，则需要微管伸缩与空间结构角度演变的共同配合；同时，平面运动的精子头部和鞭毛不会发生自转，右手螺旋运动的精子头部与鞭毛则会形成同向自转，且螺旋运动频率与自转频率之间没有固定的约束关系，当流体的性质确定后，它们的大小由鞭毛微观结构的运动规律决定。这一发现表明，精子的螺旋运动并非单纯的螺丝钉式旋进，而是一种螺旋与自转的组合，具体的组合方式由流体性质、微管伸缩与角度演变共同决定。
图3 螺旋运动的精子在通道角落的运动形态及其压力与流线时均分析
作为该模型的重要应用，研究团队还探究了螺旋运动的精子在不同腔道中的运动状态，深入解析了精子游动过程中贴壁运动的形成机理。研究发现，对于精子运动的形变过程，瞬时流场分析难以捕捉流场和压力的作用规律，而通过时均量分析，则能清晰呈现出精子运动对流场的扰动趋势，以及壁面对精子的吸附作用。这一研究结果，为揭示精子贴壁运动、趋角聚集等行为的成因提供了深刻的理论洞见。
图4 螺旋运动的精子在通道角落的运动形态及其压力与流线时均分析
本研究构建的三维精子运动推进模型，实现了从鞭毛微观结构动态演化，到宏观运动模态形成，再到运动推进流固耦合分析的全链条模拟，解构了精子微观结构演化和宏观运动推进的定量关系。未来，该模型不仅将为精子运动机理研究、精子优选数值模拟模型开发提供坚实支撑，其创新的建模思路还可为生物微纳机器人设计、生殖医学辅助技术优化等相关领域提供重要参考。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0307904X26001708