Populations of millions of colloidal rolling particles are shown to self-organize to achieve coherent motion; comparison between experiment and theory based on the microscopic interactions between these ‘rollers’ suggests that hydrodynamic interactions promote the emergence of the collective motion. Collective motion can be observed in the natural world at all scales, from flocking birds to schooling fish and swarming bacteria, but it is difficult to capture such behaviour in simple physical models. Artificial 'active matter' systems that show collective behaviour usually rely on collisions, making the description of interactions complex. Denis Bartolo and colleagues have now developed a unique experimental system consisting of self-propelled rolling spheres that self-organize and move in one direction in a crowd of millions. The spheres 'sense' each other via straightforward hydrodynamic interactions so that all parameters can be easily calculated and tuned. This work demonstrates that genuine physical interactions at the individual level are sufficient to set homogeneous active populations into stable directed motion. The system could be used to model natural collective motion and to design new self-organized materials and swarming microrobots. From the formation of animal flocks to the emergence of coordinated motion in bacterial swarms, populations of motile organisms at all scales display coherent collective motion. This consistent behaviour strongly contrasts with the difference in communication abilities between the individuals. On the basis of this universal feature, it has been proposed that alignment rules at the individual level could solely account for the emergence of unidirectional motion at the group level1,2,3,4. This hypothesis has been supported by agent-based simulations1,5,6. However, more complex collective behaviours have been systematically found in experiments, including the formation of vortices7,8,9, fluctuating swarms7,10, clustering11,12 and swirling13,14,15,16. All these (living and man-made) model systems (bacteria9,10,16, biofilaments and molecular motors7,8,13, shaken grains14,15 and reactive colloids11,12) predominantly rely on actual collisions to generate collective motion. As a result, the potential local alignment rules are entangled with more complex, and often unknown, interactions. The large-scale behaviour of the populations therefore strongly depends on these uncontrolled microscopic couplings, which are extremely challenging to measure and describe theoretically. Here we report that dilute populations of millions of colloidal rolling particles self-organize to achieve coherent motion in a unique direction, with very few density and velocity fluctuations. Quantitatively identifying the microscopic interactions between the rollers allows a theoretical description of this polar-liquid state. Comparison of the theory with experiment suggests that hydrodynamic interactions promote the emergence of collective motion either in the form of a single macroscopic ‘flock’, at low densities, or in that of a homogenous polar phase, at higher densities. Furthermore, hydrodynamics protects the polar-liquid state from the giant density fluctuations that were hitherto considered the hallmark of populations of self-propelled particles2,3,17. Our experiments demonstrate that genuine physical interactions at the individual level are sufficient to set homogeneous active populations into stable directed motion.

We experimentally study a monolayer of vibrated disks with a built-in polar asymmetry which enables them to move quasibalistically on a large persistence length. Alignment occurs during collisions as a result of self-propulsion and hard core repulsion. Varying the amplitude of the vibration, we observe the onset of large-scale collective motion and the existence of giant number fluctuations with a scaling exponent in agreement with the predicted theoretical value.

We report spontaneous motion in a fully biocompatible system consisting of pure water droplets in an oil-surfactant medium of squalane and monoolein. Water from the droplet is solubilized by the reverse micellar solution, creating a concentration gradient of swollen reverse micelles around each droplet. The strong advection and weak diffusion conditions allow for the first experimental realization of spontaneous motion in a system of isotropic particles at sufficiently large P\'eclet number according to a straightforward generalization of a recently proposed mechanism [S. Michelin, E. Lauga, and D. Bartolo, Phys. Fluids 25, 061701 (2013); S. Michelin and E. Lauga, J. Fluid Mech. 747, 572 (2014)]. Experiments with a highly concentrated solution of salt instead of water, and tetradecane instead of squalane, confirm the above mechanism. The present swimming droplets are able to carry external bodies such as large colloids, salt crystals, and even cells.

Active solids such as cell collectives, colloidal clusters, and active metamaterials exhibit diverse collective phenomena, ranging from rigid body motion to shape-changing mechanisms. The nonlinear dynamics of such active materials remains, however, poorly understood when they host zero-energy deformation modes and when noise is present. Here, we show that stress propagation in a model of active solids induces the spontaneous actuation of multiple soft floppy modes, even without exciting vibrational modes. By introducing an adiabatic approximation, we map the dynamics onto an effective Landau free energy, predicting mode selection and the onset of collective dynamics. These results open new ways to study and design living and robotic materials with multiple modes of locomotion and shape change.Received 21 October 2023Revised 26 January 2024Accepted 3 April 2024DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.238303© 2024 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCollective behaviorPhysical SystemsAuxetic materialsCollective dynamicsLiving matter & active matterCondensed Matter, Materials & Applied Physics

After 25 years of research activity, the physics of collective motions -- flights of starlings, shoals of fish, micro-swimmers or artificial walkers -- is well understood. Here, we describe a new form of self-organization, emerging from the coupling between elasticity and activity: collective actuation, the solid counterpart of collective movements.

For low enough flow rates, turbulent channel flow displays spatial modulations of large wavelengths. This phenomenon has recently been interpreted as a linear instability of the turbulent flow. We question here the ability of linear stability analysis around the turbulent mean flow to predict the onset and wavelengths of such modulations. Both the mean flow and the Reynolds stresses are extracted from direct numerical simulation (DNS) in periodic computational domains of different size. The Orr-Sommerfeld-Squire formalism is used here, with the turbulent viscosity either ignored, evaluated from DNS, or modeled using a simple one-point closure model. Independently of the closure model and the domain size, the mean turbulent flow is found to be linearly stable, in marked contrast with the observed behavior. This suggests that the one-point approach is not sufficient to predict instability, at odds with other turbulent flow cases. For generic wall-bounded shear flows we discuss how the correct models for predicting instability could include fluctuations in a more explicit way.

One of the most well known features of active matter is the tendencey of self-propelled particles to undergo system-wide collective motion. With low enough rotational noise or high enough global density, these systems spontaneously break symmetry and transition to a state with nonzero net momentum. The transition is currently understood as discontinuous, with phase coexistence manifesting in terms of dense travelling bands propagating through a dilute background. Here we show that the phase transition appears continuous in experiments with a system of hundreds of polar vibrated disks, and compare the fluctuations in this system to the traveling bands that are present in larger systems. We argue that this difference is due to finite size effects, which are often considered an artifact of simulations in studies with equilibrium systems, but that are of fundamental importance in many systems of self-propelled particles such as those composed of living individuals.