活性物质由于其固有的非平衡特点,经常展现出丰富的结构和动力学行为。手性活性物质是非常有代表性的一种,尤其手性活性流体,由于同时破缺了时间反演和宇称对称性,拥有拓扑保护的边界流和奇粘度两大非凡的特征。论文主要围绕手性活性流体的这些特性探索新颖的智能器件设计方案,比如输运货物、自组装侵入物;试图把一些经典或者量子体系的物理概念推广到这些系统当中。在第1章,我简要介绍了活性物质中的一些基本模型、重要结果以及研究方法。在第2章,我们从实验和模拟上实现了在一个受限的手性活性流体中定向地、稳定地沿着系统的边界输运了一个圆形货物,这种输运不会被系统的无序和边界几何所扰动,因此具有很强的鲁棒性。我们从实验和模拟定量研究了货物在不同条件下的输运性质。有趣的是,我们从模拟上发现货物的贴边几率随着自旋粒子的驱动力矩的增加而增加的,这一点是很不平庸的。为了解释这些现象,我们通过模拟独立测出流体中各种粘度系数,利用已经发展的手性活性流体的连续介质流体力学理论发现和证明这种输运是由奇粘度增强耗尽吸引力和拓扑保护的边界流共同所诱导的。这种货物输运模式可以看作是传统拓扑输运在活性流体中的一种推广,但是不同的是我们这里输运的惰性的侵入物,而在拓扑绝体中输运的是载流子本身。同时,这部分工作也揭示了奇粘度影响了流体的动力学行为,进而影响了侵入物和边界的相互作用。因此,这部分工作提出了一种新颖的非平衡货物输运方案,可能和生物或者合成的活性系统是相关的。在第3章,我们在这里利用计算机模拟证明利用奇粘度增强的有效吸引力,在受限的手性活性流体中边界流仍然可以鲁棒地沿着边界输运各向异性的惰性货物。我们发现当驱动力矩大于一个阈值,所有货物都能实现稳定的输运,因此这使得可以通过调整驱动力矩来实现对于货物的输运的控制。利用输运各向同性货物的理论,我们定性解释了这一现象。各向异性的惰性货物的输运推广我们在第2章的结果。此外,我们利用计算机模拟发现这一奇粘度增强的耗尽吸引力仍是存在于浸入的对象之间的。首先,我们使用了三个圆形光滑侵入物,我们发现这三个侵入物在奇粘度诱导的耗尽吸引力的作用下会最终组装成一个定向旋转的三角形“转子”。接着,我们加入了更多侵入物,模拟了他们在各种温度的和不同活性转子面积分数下的组装行为。只有在合适的温度和足够大的驱动力矩密度下,奇粘度增强的耗尽吸引力才能足够大以至于可以把侵入物组装成稳定的旋转团簇。这部分工作为非平衡体系自组装提供新的洞见和可能性。在第4章,我们首先模拟和理论上研究了活性自旋粒子在均匀纵向外力场拖拽下通过一个晶格排布的障碍物阵列的输运行为。我们发现奇粘度的存在可以诱导出一个横向流,这一点类似于反常霍尔效应。通过求解活性自旋粒子的流体力学方程,我们发现和证明了奇粘度是活性自旋粒子诱导霍尔流的原因。此外,我们发现奇粘度也修正了纵向流。然后,我们进一步研究了手性活性流体在空间不均匀外力下通过一个光滑管道的运动行为。我们通过求解相应的流体力学问题,发现由于不均匀剪切率的存在,也可以产生类霍尔效应:自旋粒子朝管壁左侧积累。我们这部分工作表明奇粘度在特定条件下可以使手性活性流体诱导出类霍尔的输运现象。在第5章,我们通过计算机模拟研究了圆圈游泳体在均匀外力场作用下通过一个障碍物阵列的输运行为,结果也发现了类霍尔效应:反常横向流。我们发现在小圆周运动半径时,其诱导的横向流随着转动半径的增加而增加。在大圆周运动半径时,横向流幅度开始减小。横向流对于外力的依赖是不单调的,并且具有一个极大值。这一活性粒子的横向流是由奇粘度和单体轨道运动共同诱导的,这和第4章活性自旋粒子诱导的霍尔流不同。这种霍尔流更像带电粒子在磁场中所产生的霍尔效应,可能有助于操控和分离不同类型的手性活性物质。