Mikroskopiske svømmere med visuel opfattelse af gruppemedlemmer danner stabile sværme

Fugle, fisk og bakterier samles ofte i grupper eller sværme. Denne såkaldte kollektive adfærd kræver, at alle gruppemedlemmer kontinuerligt og gensidigt tilpasser deres bevægelser. Det kan være en udfordrende opgave, imidlertid, for forskere at fastslå de specifikke miljømæssige stimuli, som enkeltpersoner reagerer på inden for rammerne af deres gruppe; ud over optisk og akustisk information, strømningsmodstande eller kemiske budbringere kan også spille en rolle. Ved at designe eksperimenter med kunstige mikrosvømmere, fysikere ved universitetet i Konstanz kunne vise, at dannelsen af ​​stabile grupper kun kræver få færdigheder:fremadrettet visuel opfattelse over store afstande og regulering af hastigheden i henhold til antallet af opfattede individer. Udover at give mere indsigt i kollektive fænomener, deres fund kan også bruges til forskning i autonome systemer. Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab .

Evnen til at samles i kompakte sværme eller grupper er en effektiv færdighed, der gør det muligt for enkeltpersoner at unddrage sig rovdyr, finde mad eller effektivt rejse lange afstande. For at begynde at forstå, hvordan sværme dannes, følgende spørgsmål skal besvares:Hvilke oplysninger opfatter et individ inden for sit miljø? Og hvordan tilpasser dette individ sin bevægelse som reaktion på sådanne miljøstimuleringer? Den såkaldte Vicsek-model foreslår, at individuelle gruppemedlemmer justerer deres bevægelsesretning til de omkringliggende individers. Derudover der skal være en tiltrækning mellem gruppens medlemmer. Hvis en af ​​disse to betingelser (orientering eller attraktion) ikke er opfyldt, sværmen bliver ustabil og spredes.

En mere enkel og robust regel

Som et resultat af deres seneste forsøg, Clemens Bechinger, professor ved Institut for Fysik ved Universitetet i Konstanz, og hans kolleger har opdaget en meget enklere og bemærkelsesværdig robust regel, som enkeltpersoner spontant danner en stabil gruppe med:Det kræver kun, at individer har et fremadrettet og langtrækkende syn, en grundlæggende evne for mange levende organismer. Hvert individ bestemmer antallet af jævnaldrende, der er synlige i sit eget synspunkt. Hvis dette tal når en bestemt tærskelværdi, partiklen begynder at svømme fremad; ellers er dens bevægelser helt tilfældige. Her, det er ikke nødvendigt for den enkelte at identificere de nøjagtige placeringer af sine naboer. Den skal simpelthen opfatte dem inden for sit synsfelt.

I stedet for at arbejde med levende organismer, fysikerne bruger kunstige mikrosvømmere suspenderet i en væske. Disse består af glasperler med diametre på et par mikrometer belagt på den ene side med et tyndt lag kulstof. Ved at belyse dem med et fokuseret laserpunkt, kulstoffet absorberer lyset, får perlerne til at varme op ujævnt. Temperaturgradienten genererer en væskestrøm på overfladen af ​​perlen, som begynder at svømme som en bakterie. Denne situation kan sammenlignes med en roterende skibspropel, som skubber vand væk, og dermed flytte fartøjet fremad.

For at udstyre disse mikrosvømmere med et synsfelt, forskerne bruger et trick:Ved hjælp af en computer, positioner og orienteringer af alle glaspartikler overvåges løbende. Dette gør det muligt for forskerne at bestemme antallet af en partikels naboer inden for et fast vinkelområde, som svarer til partikelens synsfelt. Hvis dette tal overstiger en foreskrevet tærskelværdi, en fokuseret laserstråle belyser kortvarigt den respektive partikel, får det til at udføre en svømmebevægelse. Hvis, imidlertid, antallet af partikler forbliver under tærskelværdien, den tilsvarende partikel ikke belyses af en laserstråle, tillader partiklen at undergå uorienterede og diffusive bevægelser. Da denne proces udføres flere gange i sekundet, hver mikrosvømmer får en dynamisk og kontinuerlig reaktion på de mindste ændringer i sit miljø, ligesom en fisk inden for sin skole. Ved hjælp af denne procedure, forskerne observerede, at partiklerne spontant dannede en kunstig sværm.

Opfattet information kan kontrolleres på en præcis måde

Ved at tilpasse disse "kunstige organismer" til deres forskningsformål, fysikerne er ikke kun i stand til præcist at bestemme de oplysninger, som individuelle gruppemedlemmer opfatter inden for deres miljø, de kan også observere, hvordan ændringer i opfattelse påvirker deres kollektive adfærd. Ændring af enten deres synsfelt eller opfattelsestærskel ændrer det respektive niveau for gruppedannelse og samhørighed. Fysikerne skabte således partikler med det brede synsfelt på planteædere og fandt ud af, at de kun holder sig sammen ved at sænke deres reaktionstærskel. Med andre ord, planteædere skal holde godt øje med hinanden for at blive inden for deres beskyttelsesgruppe. Med deres enkle model, det forklares også, hvordan det snævre syn af rovdyr er en fordel for at opdage tilstedeværelsen af ​​byttedyr over lange afstande.

Et andet vigtigt forskningsresultat er, at gregarious individer, i princippet, ikke behøver at tilpasse deres hastighedsretning eller indsamle oplysninger om naboernes hastighed. Set fra et kontrolsystems synspunkt, dette er yderst fordelagtigt, da der kræves minimale sensoriske og kognitive ressourcer til sådan adfærd. Dette aspekt kan også vise sig nyttigt til fremtidige applikationer, hvor, for eksempel, millioner af autonome mikrorobotter med begrænset computerkapacitet forventes at udføre komplekse opgaver. For at sikre, at sådanne opgaver udføres med succes, de skal være i stand til at organisere sig selv og koordinere deres adfærd. Disse evner vil også sikre, at grupper kan mestre uforudsete situationer, såsom når fiskeskoler med held unddrager sig en angriber.