Hvordan fugle flyver i flokke

Mange fiskearter svømmer i skoler, og fugle flyver i flokke. En sådan kollektiv adfærd skal opstå fra samspillet mellem dyrene. Hvordan det fungerer var stort set uklart. Nu, to Wageningen-forskere giver vigtig indsigt i mekanismen bag denne adfærd. Marcel Workamp og kolleger udviklede et modelsystem, hvor de eksperimentelt viser, at sværmende adfærd hovedsageligt er styret af friktion.

Modelsystemet, som ph.d.-studerende Marcel Workamp og Joshua Dijksman fra Wageningen University &Research udviklede sammen med kolleger ved North Carolina State University (Raleigh, OS), er stærkt inspireret af arkadespillet 'air hockey'. Ved konstant at blæse luft gennem små huller i bordet, pucken i airhockey (fuglen) flyder på bordet uden at opleve friktion. For at drive pucken frem, forskerne tilføjede ventilationskanaler til puckene, sådan at luften fra luftbordet driver hver puck til at rotere i samme retning. I modelsystemet, denne retning var mod uret.

Denne enkle tilføjelse fører allerede til ekstraordinær kollektiv adfærd. Dijksman og kolleger bruger et cirkulært bord, hvortil de tilføjer stigende mængder pucke, der roterer individuelt mod uret. Ved hjælp af billedanalyse, de sporede placeringen af ​​hver puck nøjagtigt.

Det viser sig, hvis der kun er et par pucke, de kolliderer for det meste med ydervæggen. Dette fører til en samlet bevægelse af puckene, som er med uret. Efterhånden som der tilsættes flere partikler, der sker en bemærkelsesværdig overgang:puckernes kollektive bevægelse vender retning. De bevæger sig alle mod uret.

Denne kollektive adfærd opstår ved kollision mellem partiklerne, hvor de udveksler energi fra deres rotation til bevægelsesenergi. Denne udveksling kan kun finde sted, hvis der er tilstrækkelig friktion mellem partiklerne. Trods alt, det er, når udvekslingen af ​​energi er maksimeret.

Friktion forbedrer den kollektive adfærd

For yderligere at øge friktionen mellem puckene, forskergruppen tilføjede små ører til puckene ved hjælp af 3D-print. På denne måde var de i stand til at forbedre den kollektive adfærd. Ved at tilføje ørerne, mængden af ​​partikler, der er nødvendig for at opnå vending af bevægelsesretningen, falder betydeligt ved at tilføje ørerne. Uden disse friktionsforstærkende ører, flere pucke var nødvendige for at vende den overordnede bevægelsesretning.

Observationerne viser, at individuelle partikler i modellen, fugle i en flok eller fisk i en skole, kan udvise sværmende adfærd udelukkende baseret på friktion mellem partiklerne, uden at 'se' hinanden. Bemærkelsesværdigt, de aktive partikler overholder også love, der gælder for passiv, molekylære gaspartikler i en gassky, hvori partiklerne, drevet af temperatur, udviser også kollektiv adfærd. Dijksmans modelsystem viser således, at kollektiv adfærd kan opnås ved hjælp af få ingredienser. Derfor, forskningen er ikke kun relevant for at forstå sværmeadfærd hos dyr, men også til udvikling af nye materialer, hvor aktiviteten af ​​individuelle partikler kan føre til nye materialegenskaber.