Spørgsmål og svar:Forståelse af koordinationsmekanismer i decentrale systemer

Vidste du, at når en gruppe af robotter eller bakterier bevæger sig i et rum, hvor der er flere frie genstande, afbøjer de disse genstande, så de kan passere? Et internationalt forskerhold formåede at vise, at sporet efter denne bevægelse bidrager til dannelsen af ​​grupper, der fungerer som en effektiv kommunikationsmekanisme mellem dem, i en undersøgelse, der nu er offentliggjort i Nature Communications .

Den første forfatter, Cristóvão Dias, er forsker ved Institut for Fysik og ved Center for Teoretisk og Beregningsfysik ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved Universitetet i Lissabon (Ciências ULisboa) (Portugal). Manish Trivedi og Giorgio Volpe (University College London, Storbritannien), Giovanni Volpe (Gøteborgs Universitet, Sverige) og Nuno Araújo (Ciências ULisboa) er medforfattere til denne artikel.

Forståelse af koordineringsmekanismer i decentraliserede systemer har potentiale til at påvirke flere vidensområder positivt, fra biologi til robotteknologi. For at finde ud af, hvordan dette samarbejde opstod, relevansen af ​​disse videnskabelige fremskridt og de næste forskningstrin, talte vi med forfatterne.

Hvordan opstod muligheden for at udvikle dette arbejde?

Nuno Araújo (NA):I løbet af de sidste par år har vi inden for rammerne af et ph.d.-netværk finansieret af Europa-Kommissionen samarbejdet med disse to grupper, en fra University of College of London og University of Göteborg (Sverige) , i studiet af bevægelsen af ​​aktive partikler såsom bakterier, mikrorobotter og andre, i uordnede miljøer.

Ved at observere den måde, de interagerer med det omgivende miljø, ændre det, og hvordan dette påvirker bevægelsen af ​​partiklerne selv, identificerede vi en ikke-triviel adfærd, der førte til dannelsen af ​​grupper og udviklede metoder til bedre at forstå de involverede mekanismer.

Hvad består denne undersøgelse af?

Cristóvão Dias (CD):Denne undersøgelse omhandler et system sammensat af kolloide partikler af Janus-typen, der ligesom den græske gud Janus har to forskellige "ansigter". I vores tilfælde er disse sfæriske partikler, hvor en af ​​halvkuglerne er dækket af grafit, hvilket giver dem fremdrift i en bestemt retning og opfører sig som en robot på mikroskala.

Vores fokus er at forstå, hvordan disse aktive partikler, der fungerer som autonome agenter, interagerer med det omgivende miljø, ændrer det, og hvordan hukommelsen om disse ændringer letter koordination, hvilket kulminerer i dannelsen af ​​grupper.

Hvad er de vigtigste opnåede resultater?

CD:Når en aktiv partikel bevæger sig i et medium med bevægelige objekter, kolliderer den med dem, og ender med at afbøje dem. Dette fører til dannelsen af ​​kanaler, som kan bruges af andre aktive partikler.

Ved at kombinere eksperimentelle og beregningsmetoder, var det, vi var i stand til at vise, at dannelsen af ​​disse kanaler fremmer et større møde mellem aktive partikler og dermed dannelsen af ​​grupper. På trods af at de involverede arter ikke er i stand til at kommunikere direkte, opstår en evne til at koordinere deres handlinger og danne grupper effektivt.

Hvor vigtigt er dette arbejde for samfundet og videnskaben?

NA:Dette arbejde baner vejen for introduktionen af ​​metoder, der tillader udforskning af komplekse midler ved hjælp af aktive systemer uden ræsonnement. Den producerede viden bidrager til fremme af videnskabelig forståelse, men har også praktiske implikationer og tilbyder innovative tilgange til udvikling af autonome systemer, der er i stand til at fungere effektivt i udfordrende miljøer.

Denne dybtgående forståelse af koordinationsmekanismer i decentrale systemer har potentialet til at påvirke flere vidensområder positivt, fra biologi til robotteknologi, hjælpe med at forstå, hvordan naturen udviklede effektive koordinationsmekanismer og hjælpe med at implementere autonome systemer med minimal kompleksitet af individuelle enheder.

Hvad er de næste trin?

NA:De næste trin involverer at uddybe vores forståelse af denne koordinationsmekanisme og udforske implikationerne i en mere generel sammenhæng. Vi agter at anvende denne viden til at forbedre effektiviteten og tilpasningsevnen af ​​decentraliserede systemer til forskellige længder og tidsskalaer.

CD:Dette arbejde fremhæver vigtigheden af ​​at udforske og forstå de komplekse interaktioner mellem aktive systemer og deres omgivelser og udnytte disse principper til at forbedre effektiviteten og tilpasningsevnen af ​​autonome systemer på forskellige områder.

Flere oplysninger: Cristóvão S. Dias et al., Miljøhukommelse booster gruppedannelse af uvidende individer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43099-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Lisbon