我的研究主要集中在物理学与生物学的交叉领域，关注生物功能的物理原理及其潜在规律。生物功能的实现不仅依赖于物理规律的支持，同时这些规律也在一定程度上定义了生物系统的效率和极限。每年计划招收1-2名博士生，并持续招收对生物和物理交叉研究感兴趣的博士后。

目前的研究方向包括以下几个方面：

1.分子机器的功能与结构：
分子机器是维持生命活动的核心驱动力。我利用随机动力学和热力学理论，研究这些分子机器的运动规律、能量限制以及其功能和结构之间的相互关系，探索它们如何适应不同环境条件下的变化。

2.生物信号处理的物理极限与优化原理：
生物信号的处理和转导是生命体感知外界信息并作出反应的关键过程。这些过程受到噪声、能量限制等物理约束。我的研究旨在定量分析这些限制对信号传递的影响，并探讨生物系统是如何在这些极限条件下实现信息传递的高效率和高精确度。

3.生物大分子凝聚物与生物调控网络的耦合：
生物大分子凝聚物（如液-液相分离形成的结构）在细胞内发挥着重要的调控作用。它们不仅是细胞内复杂生物网络的组织核心，还通过动态变化影响基因表达、蛋白质合成等生命活动。我研究这些凝聚物如何与传统的基因和蛋白调控网络互相耦合，从而实现生物功能的精确调控。

4.力学信号与化学信号的耦合：
在真核细胞中，力学信号和化学信号往往是协同作用的，共同决定细胞的行为。我重点研究力学信号与化学信号之间的相互作用，探索它们如何调控细胞迁移、形态变化、以及感知外界环境的力学性质。

代表性文章：

1. Y. Cao, H. Wang, Q. Ouyang, Y. Tu, The free-energy cost of accurate biochemical oscillations, Nature Physics 11, 772 (2015)

2. C. Fei, Y. Cao, Q. Ouyang, Y. Tu, Design principles for enhancing phase sensitivity and suppressing phase fluctuations simultaneously in biochemical oscillatory systems, Nature Communications 9, 1434 (2018)

3.D. Zhang, Y. Cao, Q. Ouyang, Y. Tu, The energy cost and optimal design for synchronization of coupled molecular oscillators, Nature Physics 16, 95–100 (2020)

4.J. Kim, Y. Cao, C. Eddy, H. Levine, W.-J. Rappel, B. Sun, The mechanics and dynamics of cancer cells sensing noisy 3D contact guidance, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A (2021)

5. Y. Cao, E. Ghabache, W.-J. Rappel, Plasticity of cell migration resulting from mechanochemical coupling, eLife (2019)

6.E. Ghabache, Y. Cao, Y. Miao, A. Groisman, P. Devreotes W.-J. Rappel, Coupling traction force patterns and actomyosin wave dynamics reveals mechanics of cell motion, Mol. Syst. Biol. (2021)

7.Y. Tu, Y. Cao, Design principles and optimal performance for molecular motors under realistic constraints, Phys. Rev. E 97, 022403 (2018)

8.Y. Cao, T. Li, Y. Tu, Modeling bacterial flagellar motor with new structure information: rotational dynamics of two interacting protein nano-rings, Front. Microbiol. (2022)