vogels, vissen en bacteriën verzamelen zich vaak in groepen of zwermen. Dit zogenaamde collectieve gedrag vereist dat alle groepsleden hun bewegingen voortdurend en wederzijds aanpassen. Het kan een uitdagende taak zijn, echter, voor onderzoekers om vast te stellen op welke specifieke omgevingsprikkels individuen reageren binnen de context van hun groep; naast optische en akoestische informatie, Ook stromingsweerstanden of chemische boodschappers kunnen een rol spelen. Door experimenten te ontwerpen met kunstmatige microzwemmers, natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz konden aantonen dat het vormen van stabiele groepen slechts weinig vaardigheden vereist:voorwaartse visuele waarneming over grote afstanden en regulering van de snelheid op basis van het aantal waargenomen individuen. Naast het geven van meer inzicht in collectieve fenomenen, hun bevindingen kunnen ook worden gebruikt voor onderzoek naar autonome systemen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Wetenschap .

Het vermogen om zich te verzamelen in compacte zwermen of groepen is een effectieve vaardigheid waarmee individuen roofdieren kunnen ontwijken, voedsel vinden of efficiënt lange afstanden afleggen. Om te begrijpen hoe zwermen zich vormen, de volgende vragen moeten worden beantwoord:Welke informatie neemt een individu waar in zijn omgeving? En hoe past dit individu zijn beweging dan aan als reactie op dergelijke omgevingsprikkels? Het zogenaamde Vicsek-model stelt voor dat individuele groepsleden hun bewegingsrichting aanpassen aan die van de omringende individuen. Aanvullend, er moet een aantrekkingskracht zijn tussen de groepsleden. Als aan een van deze twee voorwaarden (oriëntatie of aantrekking) niet wordt voldaan, de zwerm wordt onstabiel en verspreidt zich.

Een eenvoudigere en robuustere regel

Als resultaat van hun recente experimenten, Clemens Bechinger, professor aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Konstanz, en zijn collega's hebben een veel eenvoudigere en opmerkelijk robuuste regel ontdekt waarmee individuen spontaan een stabiele groep vormen:het vereist alleen dat individuen een vooruitziende blik en een lange-afstandsvisie hebben, een basisvermogen van veel levende organismen. Elk individu bepaalt het aantal peers dat zichtbaar is in zijn eigen weergaveveld. Als dit aantal een bepaalde drempelwaarde bereikt, het deeltje begint naar voren te zwemmen; anders zijn de bewegingen volledig willekeurig. Hier, het is niet nodig voor het individu om de exacte locaties van zijn buren te identificeren. Het moet ze gewoon waarnemen binnen zijn gezichtsveld.

In plaats van met levende organismen te werken, de natuurkundigen gebruiken kunstmatige microzwemmers die in een vloeistof zijn gesuspendeerd. Deze bestaan ​​uit glaskralen met een diameter van enkele micrometers die aan één zijde zijn bekleed met een dun laagje koolstof. Door ze te verlichten met een gerichte laserspot, de koolstof absorbeert het licht, waardoor de kralen ongelijkmatig opwarmen. De temperatuurgradiënt genereert een vloeistofstroom aan het oppervlak van de kraal, die begint te zwemmen als een bacterie. Deze situatie is vergelijkbaar met een draaiende scheepsschroef, die water wegduwt, waardoor het schip naar voren beweegt.

Om deze microzwemmers een gezichtsveld te geven, gebruiken de onderzoekers een truc:met behulp van een computer de posities en oriëntaties van alle glasdeeltjes worden continu gecontroleerd. Hierdoor kunnen de onderzoekers het aantal buren van een deeltje bepalen binnen een vast hoekbereik, die overeenkomt met het gezichtsveld van het deeltje. Als dit aantal een voorgeschreven drempelwaarde overschrijdt, een gerichte laserstraal verlicht kort het betreffende deeltje, waardoor het een zwembeweging uitvoert. Indien, echter, het aantal deeltjes blijft onder de drempelwaarde, het corresponderende deeltje wordt niet belicht door een laserstraal, waardoor het deeltje ongerichte en diffuse bewegingen kan ondergaan. Aangezien dit proces meerdere keren per seconde wordt uitgevoerd, elke microzwemmer wordt ertoe aangezet om dynamisch en continu te reageren op de kleinste veranderingen in zijn omgeving, net als een vis in zijn school. Met behulp van deze procedure, de onderzoekers zagen dat de deeltjes spontaan een kunstmatige zwerm vormden.

Waargenomen informatie kan op een nauwkeurige manier worden gecontroleerd

Door deze "kunstmatige organismen" aan te passen voor hun onderzoeksdoeleinden, de natuurkundigen zijn niet alleen in staat om de informatie die individuele groepsleden in hun omgeving waarnemen nauwkeurig te bepalen, ze kunnen ook observeren hoe veranderingen in perceptie hun collectieve gedrag beïnvloeden. Het wijzigen van hun gezichtsveld of perceptiedrempel verandert het respectieve niveau van groepsvorming en cohesie. De natuurkundigen creëerden dus deeltjes met het brede gezichtsveld van herbivoren en ontdekten dat ze alleen bij elkaar blijven door hun reactiedrempel te verlagen. Met andere woorden, herbivoren moeten elkaar goed in de gaten houden om binnen hun beschermende groep te blijven. Met hun eenvoudige model, ook wordt uitgelegd hoe het beperkte zicht van roofdieren een voordeel is om de aanwezigheid van prooien over lange afstanden te detecteren.

Een andere belangrijke onderzoeksbevinding is dat kuddedieren, in principe, hoeven hun snelheidsrichting niet aan te passen of informatie te verzamelen over de snelheid van hun buren. Vanuit een besturingssysteem gezien, dit is buitengewoon voordelig aangezien er voor dergelijk gedrag minimale zintuiglijke en cognitieve middelen nodig zijn. Dit aspect kan ook nuttig zijn voor toekomstige toepassingen, waar, bijvoorbeeld, miljoenen autonome microrobots met beperkte rekencapaciteit zullen naar verwachting complexe taken uitvoeren. Om ervoor te zorgen dat dergelijke taken met succes worden uitgevoerd, ze moeten zichzelf kunnen organiseren en hun gedrag kunnen coördineren. Deze vaardigheden zullen er ook voor zorgen dat groepen onvoorziene situaties kunnen beheersen, zoals wanneer scholen vissen met succes een aanvaller ontwijken.