2019-04-05 04:10:03
具有组成员视觉感知的微观游泳者形成稳定的群

鸟类,鱼类和细菌通常聚集成群或成群。这种所谓的集体行为要求所有团体成员不断适应他们的行动。然而,对于研究人员来说,确定个体在其群体环境中应对的特定环境刺激可能是一项具有挑战性的任务;除了光学和声学信息,流动阻力或化学信使也可以发挥作用。通过设计人工微型模拟器的实验,康斯坦茨大学的物理学家能够证明稳定组的形成只需要很少的技能:远距离的前向视觉感知和根据感知个体的数量调节速度。除了提供对集体现象的更多洞察之外,他们的发现还可以用于自主系统的研究。他们的研究结果发表在最新一期的“科学”杂志上。

聚集成紧凑的群体或群体的能力是一种有效的技能,允许个人逃避捕食者,寻找食物或有效地长途旅行。要开始了解群体是如何形成的,必须回答以下问题:个人在其环境中感知哪些信息?然后这个人如何根据这种环境刺激调整其运动?所谓的Vicsek模型建议个体小组成员调整他们的运动方向与周围个体的运动方向。此外,团体成员之间必须有吸引力。如果不满足这两个条件中的一个(方向或吸引力),则群体变得不稳定并且分散。

一个更简单而有力的规则

由于他们最近的实验,康斯坦茨大学物理系教授Clemens Bechinger和他的同事们发现了一个更为简单和非常强大的规则,个人自发形成一个稳定的群体:它只需要个人拥有远程和远程视觉,许多生物的基本能力。每个人确定在其自己的视野中可见的对等体的数量。如果此数字达到某个阈值,则粒子开始向前游动;否则它的动作完全是随机的。在此,个人不必识别其邻居的确切位置。它必须在其视野范围内简单地感知它们。

物理学家不使用生物体,而是使用悬浮在液体中的人造微型模拟器。它们由直径为几微米的玻璃珠组成,一面涂有薄的碳层。通过用聚焦激光点照射它们,碳吸收光,导致珠子不均匀地加热。温度梯度在珠子表面产生流体流动,开始像细菌一样游动。这种情况可与旋转船舶螺旋桨相媲美,后者将水推开,从而使船舶向前移动。

为了使这些微型测量仪具有视野,研究人员使用了一种技巧:在计算机的帮助下,所有玻璃颗粒的位置和方向都会被持续监控。这允许研究人员确定固定角度范围内的粒子邻居的数量,其对应于粒子的视野。如果该数量超过规定的阈值,则聚焦的激光束短暂地照射相应的粒子,使其进行游泳运动。然而,如果颗粒的数量保持低于阈值,则相应的颗粒不会被激光束照射,从而允许颗粒经历无向和扩散运动。由于这个过程每秒进行几次,因此每个微型探测器都会被诱导动态地连续地对其环境中的微小变化做出反应,就像学校里的鱼一样。研究人员利用这一过程观察到颗粒自发地形成了一个人造群。

可以以精确的方式控制感知信息

通过将这些“人造生物”用于研究目的,物理学家不仅能够精确地确定个体小组成员在其环境中感知的信息,还可以观察到感知的变化如何影响他们的集体行为。修改他们的视野或感知阈值会改变组的形成和凝聚力的相应水平。因此,物理学家创造了具有食草动物广阔视野的颗粒,并发现它们只能通过降低反应阈值而保持在一起。换句话说,食草动物需要密切关注彼此,以便保持在他们的保护组内。通过他们简单的模型,还解释了捕食者的狭窄视野如何有利于长距离探测猎物的存在。

另一个重要的研究发现是,合群的人原则上不必调整他们的速度方向或收集有关邻居速度的信息。从控制系统的观点来看,这是非常有利的,因为这种行为需要最小的感知和认知资源。这方面也可能对未来的应用程序有用,例如,预计数百万具有有限计算能力的自主微机器人执行复杂的任务。为了确保成功地完成这些任务,他们必须能够组织自己并协调他们的行为。这些能力还将确保群体能够掌握不可预见的情况,例如当鱼群成功躲避攻击者时。

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