Många fiskarter simmar i skolor och fåglar flyger i flockar. Sådant kollektivt beteende måste uppstå från växelverkan mellan djuren. Hur det fungerar var i stort sett oklart. Nu, två Wageningen-forskare ger viktig inblick i mekanismen bakom detta beteende. Marcel Workamp och kollegor utvecklade ett modellsystem där de experimentellt visar att svärmande beteende huvudsakligen styrs av friktion.

Modellsystemet som doktoranden Marcel Workamp och Joshua Dijksman från Wageningen University &Research utvecklade tillsammans med kollegor vid North Carolina State University (Raleigh, USA), är starkt inspirerad av arkadspelet 'air hockey'. Genom att kontinuerligt blåsa luft genom små hål i bordet, pucken i airhockey (fågeln) flyter på bordet utan att uppleva friktion. För att driva pucken, forskarna lade till ventilationskanaler till puckarna, så att luften som kommer från luftbordet driver varje puck att rotera i samma riktning. I modellsystemet, denna riktning var motsols.

Detta enkla tillskott leder redan till extraordinärt kollektivt beteende. Dijksman och kollegor använder ett cirkulärt bord som de lägger till ökande mängder puckar som roterar moturs individuellt. Med hjälp av bildanalys, de spårade positionen för varje puck exakt.

Som det visar sig, om det bara finns några puckar, de kolliderar mest med ytterväggen. Detta leder till en total rörelse hos puckarna, som är medurs. När fler partiklar tillsätts, en anmärkningsvärd övergång sker:puckarnas kollektiva rörelse vänder riktning. De rör sig alla moturs.

Detta kollektiva beteende uppstår genom kollision mellan partiklarna, där de utbyter energi från sin rotation till rörelseenergin. Denna utbyte kan endast ske om det finns tillräcklig friktion mellan partiklarna. Trots allt, det är då utbytet av energi maximeras.

Friktion förbättrar kollektivt beteende

För att ytterligare förbättra friktionen mellan puckarna, forskargruppen lade till små "öron" på puckarna med hjälp av 3D-utskrift. På så sätt kunde de förstärka det kollektiva beteendet. Genom att lägga till öronen, mängden partiklar som är nödvändiga för att uppnå vändning av rörelseriktningen minskar avsevärt genom att lägga till öronen. Utan dessa friktionshöjande öron, fler puckar krävdes för att vända den övergripande rörelseriktningen.

Observationerna visar att enskilda partiklar i modellen, fåglar i en hjord eller fisk i en skola, kan visa svärmande beteende enbart baserat på friktion mellan partiklarna, utan att "se" varandra. Anmärkningsvärt, de aktiva partiklarna överensstämmer också med lagar som gäller för passiva, molekylära gaspartiklar i ett moln av gas, där partiklarna, drivs av temperatur, visar också kollektivt beteende. Modelsystemet för Dijksman visar således att kollektivt beteende kan uppnås med få ingredienser. Därför, forskningen är inte bara relevant för att förstå svärmande beteende hos djur, men också för utveckling av nya material där aktiviteten hos enskilda partiklar kan leda till nya materialegenskaper.