主动出击，逆流而上！CAE仿真一个**的升级之路

摘要

本文探讨了人类精 子在受孕过程中的运动规律。科学家利用计算流体力学（CFD）研究精 子在女性生殖系统内的游动，发现精 子需穿越高粘度非牛顿液体和免疫细胞，仅少数能到达卵子。精 子游动呈非对称模式，类似小电钻旋转，其运动受生物力学和流体力学影响。研究还揭示了非牛顿流体对精 子游动的影响，以及精 子导航机制包括趋化性、趋温性、趋流性和近壁作用。最终，精 子需克服宫颈粘液阻力，仅有0.1%能成功传递遗传信息。

正文

每一次的尝试受孕，会有多达3亿个精 子在宫颈口处射出。然而，据不完全统计，约六分之一的夫妇患有不孕不育症。长期以来，科学家尝试通过计算流体力学（CFD）来研究精 子运动规律，解释人类受孕机理，揭示精 子的升级之路。

在大家印象中，精 子运动就跟小蝌蚪一样，做的是一种对称游动。然而，科学家发现那种对称的尾部摆动只是一种幻觉。精 子运动其实是这样的：类似小电钻一样，自身附加旋转，凭借着非对称的游动，顺利抵达自己的温床。

精 子运动是一个复杂的生物学过程，涉及到生物力学、流体力学等多学科知识。CFD研究主要考虑非牛顿流体力学以及流固耦合作用。精 子游动的雷诺数Re为0.01左右，粘性力远大于惯性力。同时忽略对流项，使N-S方程线性化为Stokes方程。

正常人类精 子体长约60μm，其中鞭毛长约55μm，能在流体中产生有节律的波动推动自身迁移。因此，构建精 子运动模型时，通常将精 子视为一根连续分布离散点连接构成的摆动细丝，指定各点之间相对运动规律来产生鞭毛波动效果。

非牛顿流体也称为粘弹性流体，其粘度与剪切速率不成正比。一般的CFD研究将精 子的流动环境简化为牛顿流体，但精准性未知。有研究发现非牛顿流体会促进精 子间吸引与聚集。此外，精 子游动速度及效率也会受到非牛顿流体的粘弹性系数的影响。

上图展示了人类精 子在低粘度和高粘度流体中的游动情况，说明了人类精 子在女性生殖系统的粘性液体中时，精 子尾部呈现独特的曲折波形。值得注意的是，尽管液体的粘性阻力超过水的100倍，人类精 子在其中的游动速度与其在体外受精的含水介质中的速度相似。

 

宫颈粘液阻力是精 子前进的绊脚石，即使在最佳条件下，一般也只有0.1％的精 子能够到达子宫颈管。为了到达卵子将遗传信息传给下一代，精 子主动出击穿过高粘度的非牛顿液体和潜在的敌对免疫细胞。