Fåglar, fisk och bakterier samlas ofta i grupper eller svärmar. Detta så kallade kollektiva beteende kräver att alla gruppmedlemmar kontinuerligt och ömsesidigt anpassar sina rörelser. Det kan vara en utmanande uppgift, dock, för forskare att ta reda på de specifika miljöstimuler som individer svarar på inom ramen för sin grupp; förutom optisk och akustisk information, flödesmotstånd eller kemiska budbärare kan också spela en roll. Genom att designa experiment med konstgjorda mikrosimmare, fysiker vid universitetet i Konstanz kunde visa att bildandet av stabila grupper endast kräver få färdigheter:framåt visuell uppfattning över stora avstånd och reglering av hastigheten enligt antalet upplevda individer. Förutom att ge mer inblick i kollektiva fenomen, deras resultat kan också användas för forskning om autonoma system. Resultaten av deras studie publicerades i det aktuella numret av tidskriften Vetenskap .

Möjligheten att samlas i kompakta svärmar eller grupper är en effektiv skicklighet som gör att individer kan undvika rovdjur, hitta mat eller effektivt resa långa sträckor. För att börja förstå hur svärmar bildas, följande frågor måste besvaras:Vilken information uppfattar en individ inom sin omgivning? Och hur anpassar då denna individ sin rörelse som svar på sådana miljöstimuli? Den så kallade Vicsek-modellen föreslår att enskilda gruppmedlemmar anpassar sin rörelseriktning till de omgivande individernas. Dessutom, det måste finnas en attraktion mellan gruppmedlemmarna. Om ett av dessa två villkor (orientering eller attraktion) inte är uppfyllt, svärmen blir instabil och skingras.

En mer enkel och robust regel

Som ett resultat av deras senaste experiment, Clemens Bechinger, professor vid institutionen för fysik vid universitetet i Konstanz, och hans kollegor har upptäckt en mycket enklare och anmärkningsvärt robust regel med vilken individer spontant bildar en stabil grupp:Det kräver bara att individer har en framåt- och långvägsvision, en grundförmåga hos många levande organismer. Varje individ bestämmer antalet jämnåriga som är synliga i sin egen vy. Om detta nummer når ett visst tröskelvärde, partikeln börjar simma framåt; annars är dess rörelser helt slumpmässiga. Här, det är inte nödvändigt för individen att identifiera de exakta platserna för sina grannar. Den måste helt enkelt uppfatta dem inom sitt synfält.

Istället för att arbeta med levande organismer, fysikerna använder konstgjorda mikrosimmare hängande i en vätska. Dessa består av glaspärlor med diametrar på några mikrometer belagda på ena sidan med ett tunt lager kol. Genom att belysa dem med en fokuserad laserpunkt, kolet absorberar ljuset, vilket får pärlorna att värmas upp ojämnt. Temperaturgradienten genererar ett vätskeflöde vid pärlens yta, som börjar simma som en bakterie. Denna situation är jämförbar med en roterande skeppspropeller, som driver bort vattnet, sålunda för fartyget framåt.

För att utrusta dessa mikrosimmare med ett synfält, forskarna använder ett trick:Med hjälp av en dator, positionerna och orienteringarna för alla glaspartiklar övervakas kontinuerligt. Detta gör det möjligt för forskarna att bestämma antalet grannar till en partikel inom ett fast vinkelområde, som motsvarar partikelns synfält. Om detta nummer överskrider ett föreskrivet tröskelvärde, en fokuserad laserstråle belyser kortvarigt respektive partikel, får den att utföra en simrörelse. Om, dock, antalet partiklar förblir under tröskelvärdet, motsvarande partikel upplyses inte av en laserstråle, tillåter partikeln att genomgå oriktade och diffusiva rörelser. Eftersom denna process utförs flera gånger i sekunden, varje mikrosimmare induceras att dynamiskt och kontinuerligt reagera på de minsta förändringar i sin miljö, precis som en fisk inom skolan. Med denna procedur, forskarna observerade att partiklarna spontant bildade en konstgjord svärm.

Upplevd information kan kontrolleras på ett exakt sätt

Genom att anpassa dessa "artificiella organismer" för sina forskningsändamål, fysikerna kan inte bara exakt bestämma informationen som enskilda gruppmedlemmar uppfattar i sin miljö, de kan också observera hur förändringar i uppfattningen påverkar deras kollektiva beteende. Genom att ändra antingen deras synfält eller uppfattningströskel förändras respektive nivå av gruppbildning och sammanhållning. Fysikerna skapade därmed partiklar med växtätarnas breda synfält och fann att de bara håller ihop genom att sänka reaktionströskeln. Med andra ord, växtätare måste hålla noga koll på varandra för att hålla sig inom sin skyddande grupp. Med sin enkla modell, det förklaras också hur rovdjurens snäva syn är en fördel för att upptäcka förekomsten av byten över långa avstånd.

Ett annat viktigt forskningsresultat är att sällskapsmänniskor, i princip, behöver inte anpassa sin hastighetsriktning eller samla information om grannarnas hastighet. Ur styrsystemets synvinkel, detta är extremt fördelaktigt eftersom minimala sensoriska och kognitiva resurser krävs för sådant beteende. Denna aspekt kan också vara användbar för framtida applikationer, var, till exempel, miljontals autonoma mikroroboter med begränsad datorkapacitet förväntas utföra komplexa uppgifter. För att säkerställa att sådana uppgifter utförs framgångsrikt, de måste kunna organisera sig och samordna sitt beteende. Dessa förmågor kommer också att säkerställa att grupper kan behärska oförutsedda situationer, som när fiskeskolor lyckas undvika en angripare.