Svermintelligens forårsaket av fysiske mekanismer

13. januar 2023 (Nanowerk Nyheter) Tilsynelatende spontant koordinert svermeatferd utvist av store grupper av dyr er et fascinerende og slående kollektivt fenomen. Eksperimenter utført av forskere ved Leipzig Universitet på laserstyrte syntetiske mikrosvømmere viser nå at antatt svermintelligens noen ganger også kan være et resultat av enkle og generiske fysiske mekanismer. Et team av fysikere ledet av professor Frank Cichos og professor Klaus Kroy fant ut at svermer av syntetisk produserte Brownske mikrosvømmere spontant bestemmer seg for å gå i bane rundt målpunktet sitt i stedet for å gå direkte mot det. De har nettopp publisert funnene sine i tidsskriftet Nature Communications ("Spontan virveldannelse av mikrosvømmere med retarderte attraksjoner"). Bildet viser laseroptikken som ble brukt i eksperimentet for å koordinere skoler av syntetiske Brownske mikrosvømmere. (Bilde: Xiangzun Wang) «Vitenskapelig forskning på flokk- og flokkadferd er vanligvis basert på feltobservasjoner. I slike tilfeller er det vanligvis vanskelig å pålitelig registrere de indre tilstandene til flokkdyrene, sa Kroy. Som et resultat er tolkningen av observasjoner ofte avhengig av plausible antakelser om hvilke individuelle atferdsregler som er nødvendige for de komplekse kollektive gruppene som observeres. Forskere ved Leipzig Universitet utviklet derfor et eksperimentelt modellsystem av mikrosvømmere som fremkaller egenskaper ved naturlig svermintelligens og gir full kontroll over individenes interne tilstander, strategier og transformasjon av signaloppfatning til en navigasjonsreaksjon. Takket være et sofistikert laservarmesystem (se bilde), kan de kolloidale svømmerne, som bare er synlige under mikroskopet, aktivt selvdrive i en vannbeholder ved en slags "termoforetisk selvfremdrift" mens deres reise blir permanent forstyrret i en tilfeldig måte ved Brownsk bevegelse. "Bortsett fra Brownsk tilfeldig bevegelse, som er allestedsnærværende i mikrofysikk, gir det eksperimentelle oppsettet full kontroll over de fysiske parametrene og navigasjonsreglene til de individuelle kolloidale svømmerne og tillater langsiktige observasjoner av svermer av varierende størrelse," sa Cichos. Ifølge Cichos, når bare en veldig enkel og generisk navigasjonsregel følges identisk av alle svømmerne, resulterer det en overraskende kompleks svermeadferd. Hvis for eksempel svømmerne sikter mot samme faste punkt, kan det dannes en slags karusell i stedet for at de samles på samme sted. I likhet med satellitter eller atomelektroner, går svømmerne i bane rundt sitt attraktive sentrum på sirkulære baner med varierende høyder. Den eneste "intelligente" atferdsregelen som kreves for dette er at selvfremdriften reagerer på miljøoppfatning med en viss tidsforsinkelse, som vanligvis oppstår i naturlige svermfenomener fra myggdanser til veitrafikk uansett. Det viser seg at en slik "forsinket" effekt alene er tilstrekkelig til å danne komplekse dynamiske mønstre som karusellen beskrevet ovenfor. "Fysisk sett kan hver enkelt svømmer spontant bryte den radielle symmetrien til systemet og gå i sirkulær bevegelse hvis produktet av den forsinkede tiden og svømmehastigheten er stor nok," sa Kroy. Derimot avhenger banene til større svermer og deres synkronisering og stabilisering av tilleggsdetaljer som de steriske, foretiske og hydrodynamiske interaksjonene mellom de enkelte svømmerne. Siden alle signal-respons-interaksjoner i den levende verden skjer på en tidsforsinket måte, bør disse funnene også fremme forståelsen av dynamisk mønsterdannelse i naturlige svermensembler. Forskerne valgte bevisst primitive og enhetlige navigeringsregler for eksperimentet deres. Dette tillot dem å utvikle en streng matematisk beskrivelse av de observerte fenomenene. I analysen av de forsinkede stokastiske differensialligningene som ble brukt til dette formålet, viste den forsinkelsesinduserte effektive synkroniseringen av svømmerne med deres egen fortid å være nøkkelmekanismen for den spontane sirkulære bevegelsen. I stor grad lar teorien oss matematisk forutsi de eksperimentelle observasjonene. «Alt i alt har vi lykkes med å lage et laboratorium for svermer av brownske mikrosvømmere.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62161.php