物理メカニズムによる群知能

13年2023月XNUMX日（Nanowerkニュース) 動物の大群が示す一見自発的に調整された群れ行動は、魅力的で印象的な集団現象です。ライプツィヒ大学の研究者らがレーザー制御の合成マイクロスイマーを使って実施した実験では、集団知能とされるものが、時には単純で一般的な物理メカニズムの結果である可能性があることが判明した。フランク・シコス教授とクラウス・クロイ教授が率いる物理学者のチームは、合成的に生成されたブラウン運動のマイクロスイマーの群れが、目標地点に直接向かうのではなく、自発的に目標地点を周回することを決定しているようであることを発見した。彼らは研究結果を雑誌に発表したところです ネイチャー·コミュニケーションズ (“Spontaneous vortex formation by microswimmers with retarded attractions”). 写真は、合成ブラウンニアンマイクロスイマーの群れを調整するための実験で使用されたレーザー光学系を示しています。 (画像: Xiangzun Wang) 「群れや群れの行動に関する科学的研究は、通常、野外観察に基づいています。 このような場合、群れの動物の内部状態を確実に記録することは通常困難です」とクロイ氏は述べた。 その結果、観察の解釈は、観察中の複雑な集団グループにどのような個別の行動規則が必要であるかについて、もっともらしい仮定に依存することがよくあります。 そこで、ライプツィヒ大学の研究者らは、自然の群れ知能の特性を引き出し、個体の内部状態、戦略、信号知覚のナビゲーション反応への変換を完全に制御できるマイクロスイマーの実験モデルシステムを開発した。 高度なレーザー加熱システム（画像を参照）のおかげで、顕微鏡下でのみ見ることができるコロイドスイマーは、水容器内で移動が永久に妨げられているにもかかわらず、一種の「熱泳動自己推進」によって水容器内を積極的に自走することができます。ブラウン運動によるランダムな動き。 「微小物理学では普遍的なブラウン運動のランダム運動とは別に、この実験装置は個々のコロイド遊泳体の物理的パラメータと航行規則を完全に制御し、さまざまなサイズの群れの長期観察を可能にします」とシチョス氏は述べた。 Cichos 氏によると、非常に単純で一般的なナビゲーション ルールをすべての水泳選手が同じように従うと、驚くほど複雑な群れの行動が発生します。 たとえば、水泳選手が同じ固定点を目指している場合、同じ場所に集まる代わりに、一種のカルーセルが形成されることがあります。 人工衛星や原子電子と同様に、水泳選手は、さまざまな高さの円形の経路上の魅力的な中心を周回します。 これに必要な唯一の「インテリジェントな」行動規則は、自走車が一定の時間遅れで環境認識に反応するということですが、これはいずれにせよ、蚊の踊りから道路交通に至るまでの自然の群れ現象で通常発生します。 このような「遅延」効果だけでも、上で説明したカルーセルのような複雑な動的パターンを形成するには十分であることがわかります。 「物理的に言えば、遅延時間と水泳速度の積が十分に大きい場合、個々の水泳選手は自発的にシステムの放射状の対称性を破り、円運動を始める可能性があります」とクロイ氏は述べた。 対照的に、より大きな群れの軌道とその同期と安定化は、個々の遊泳者間の立体的、泳動的、流体力学的相互作用などの追加の詳細に依存します。 生物界におけるすべての信号と応答の相互作用は時間遅れで発生するため、これらの発見は、自然の群れ集団における動的なパターン形成の理解をさらに深めるはずです。 研究者らは、実験のために原始的で均一なナビゲーション ルールを意図的に選択しました。 これにより、観察された現象の厳密な数学的記述を開発することができました。 この目的に使用された遅延確率微分方程式の解析では、遅延によって引き起こされる水泳選手自身の過去との効果的な同期が、自発的な円運動の重要なメカニズムであることが判明しました。 この理論により、実験による観察結果を数学的に予測することができるようになります。 「全体として、私たちはブラウンニアンマイクロスイマーの群れのための実験室を作ることに成功しました。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62161.php