Veel vissoorten zwemmen in scholen en vogels vliegen in zwermen. Dergelijk collectief gedrag moet voortkomen uit de interacties tussen de dieren. Hoe het werkt, was grotendeels onduidelijk. Nutsvoorzieningen, twee Wageningse onderzoekers geven belangrijk inzicht in het mechanisme achter dit gedrag. Marcel Workamp en collega's ontwikkelden een modelsysteem waarin ze experimenteel aantonen dat zwermgedrag vooral wordt bepaald door wrijving.

Het modelsysteem dat promovendus Marcel Workamp en Joshua Dijksman van Wageningen University &Research met collega's van North Carolina State University (Raleigh, ONS), is sterk geïnspireerd door het arcadespel 'air hockey'. Door continu lucht door kleine gaatjes in de tafel te blazen, de puck in airhockey (de vogel) drijft op de tafel zonder wrijving. Om de puck voort te stuwen, de onderzoekers voegden ventilatiekanalen toe aan de pucks, zodanig dat de lucht die uit de luchttafel komt, elke puck ertoe aanzet om in dezelfde richting te draaien. In het modelsysteem deze richting was tegen de klok in.

Deze simpele toevoeging leidt al tot buitengewoon collectief gedrag. Dijksman en collega's gebruiken een ronde tafel waaraan ze steeds meer pucks toevoegen die afzonderlijk tegen de klok in draaien. Met behulp van beeldanalyse, ze volgden de positie van elke puck nauwkeurig.

Zoals het blijkt, als er maar een paar pucks zijn, ze botsen meestal met de buitenmuur. Dit leidt tot een algehele beweging van de pucks, die met de klok mee is. Naarmate er meer deeltjes worden toegevoegd, er treden opmerkelijke overgangen op:de collectieve beweging van de pucks verandert van richting. Ze bewegen allemaal tegen de klok in.

Dit collectieve gedrag ontstaat door botsingen tussen de deeltjes, waarin ze energie uitwisselen van hun rotatie naar bewegingsenergie. Deze uitwisseling kan alleen plaatsvinden als er voldoende wrijving is tussen de deeltjes. Ten slotte, dan is de uitwisseling van energie maximaal.

Wrijving verbetert collectief gedrag

Om de wrijving tussen de pucks verder te vergroten, het onderzoeksteam voegde kleine 'oortjes' toe aan de pucks met behulp van 3D-printing. Zo konden ze het collectieve gedrag versterken. Door de oren toe te voegen, de hoeveelheid deeltjes die nodig is om de omkering van de bewegingsrichting te bereiken, neemt aanzienlijk af door de oren toe te voegen. Zonder deze wrijvingsverhogende oren, er waren meer pucks nodig om de algemene bewegingsrichting om te keren.

De waarnemingen tonen aan dat individuele deeltjes in het model, vogels in een kudde of vissen in een school, kan zwermgedrag vertonen uitsluitend gebaseerd op wrijving tussen de deeltjes, zonder elkaar te 'zien'. Opmerkelijk, de actieve deeltjes voldoen ook aan wetten die gelden voor passieve, moleculaire gasdeeltjes in een gaswolk, waarin de deeltjes, gedreven door temperatuur, ook collectief gedrag vertonen. Het modelsysteem van Dijksman laat dus zien dat met weinig ingrediënten collectief gedrag kan worden bereikt. Daarom, het onderzoek is niet alleen relevant voor het begrijpen van zwermgedrag bij dieren, maar ook voor de ontwikkeling van nieuwe materialen waarbij de activiteit van individuele deeltjes kan leiden tot nieuwe materiaaleigenschappen.