Роевой интеллект, вызванный физическими механизмами

Казалось бы, спонтанно скоординированное поведение роя, проявляемое большими группами животных, является захватывающим и поразительным коллективным феноменом. Эксперименты, проведенные исследователями из Лейпцигского университета на синтетических микроперепускателях с лазерным управлением, теперь показывают, что предполагаемый интеллект роя иногда также может быть результатом простых и общих физических механизмов. Группа физиков во главе с профессором Фрэнком Чичосом и профессором Клаусом Кроем обнаружила, что рои синтетически созданных броуновских микропереходов, по-видимому, спонтанно решают выйти на орбиту своей целевой точки вместо того, чтобы направляться прямо к ней. Они только что опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.

"Научные исследования поведения стада и стаи обычно основаны на полевых наблюдениях. В таких случаях обычно трудно надежно зафиксировать внутреннее состояние стадных животных ", - сказал Крой. В результате интерпретация наблюдений часто основывается на правдоподобных предположениях о том, какие индивидуальные правила поведения необходимы для сложных коллективных групп, находящихся под наблюдением. Поэтому исследователи из Лейпцигского университета разработали экспериментальную модельную систему микропереходчиков, которая проявляет свойства естественного интеллекта роя и обеспечивает полный контроль над внутренними состояниями, стратегиями и преобразованием восприятия сигнала в навигационную реакцию.

Благодаря сложной системе лазерного нагрева, коллоидные пловцы, которые видны только под микроскопом, могут активно самопроизвольно перемещаться в емкости с водой с помощью своего рода "термофоретического самодвижения", в то время как их движение постоянно случайным образом нарушается броуновским движением. "Помимо броуновского случайного движения, которое повсеместно встречается в микрофизике, экспериментальная установка обеспечивает полный контроль над физическими параметрами и правилами навигации отдельных коллоидных пловцов и позволяет вести долгосрочные наблюдения за стаями различных размеров", - сказал Чичос.

По словам Чичоса, когда все пловцы одинаково следуют очень простому и общему правилу навигации, получается удивительно сложное поведение роя. Например, если пловцы нацелены на одну и ту же фиксированную точку, вместо того, чтобы собираться в одном и том же месте, может образоваться своего рода карусель. Подобно спутникам или атомным электронам, пловцы затем вращаются вокруг своего центра притяжения по круговым траекториям различной высоты. Единственное "разумное" поведенческое правило, необходимое для этого, заключается в том, что самодвижущийся механизм реагирует на восприятие окружающей среды с определенной задержкой по времени, что обычно происходит в естественных явлениях роя, от танцев комаров до дорожного движения. Оказывается, одного такого "отложенного" эффекта достаточно для формирования сложных динамических паттернов, таких как карусель, описанная выше. "С физической точки зрения, каждый отдельный пловец может спонтанно нарушить радиальную симметрию системы и перейти в круговое движение, если произведение времени задержки и скорости плавания достаточно велико", - сказал Крой. В отличие от этого, орбиты более крупных роев, их синхронизация и стабилизация зависят от дополнительных деталей, таких как стерические, форетические и гидродинамические взаимодействия между отдельными пловцами.

Поскольку все взаимодействия сигнал-ответ в живом мире происходят с задержкой во времени, эти результаты также должны способствовать пониманию формирования динамических паттернов в естественных ансамблях роев. Исследователи намеренно выбрали для своего эксперимента примитивные и единообразные правила навигации. Это позволило им разработать строгое математическое описание наблюдаемых явлений. При анализе запаздывающих стохастических дифференциальных уравнений, использованных для этой цели, эффективная синхронизация пловцов с их собственным прошлым, вызванная задержкой, оказалась ключевым механизмом спонтанного кругового движения. В значительной степени теория позволяет нам математически предсказывать экспериментальные наблюдения. "В целом, нам удалось создать лабораторию для роев броуновских микрозиммеров. Это может послужить строительным блоком для будущих систематических исследований все более сложного и, возможно, все еще неизвестного поведения стаи, а также может объяснить, почему щенки часто кружат вокруг своей миски с едой, когда их кормят ", - сказал Чичос.

Источник.