연구원은 microswimmers의 무리 행동을 연구했습니다.

큰 무리의 동물들이 보이는 겉보기에 자발적으로 조정된 무리 행동은 매혹적이고 놀라운 집단적 현상입니다. 라이프치히 대학의 연구원들이 레이저로 제어하는 ​​합성 마이크로 수영 선수들에 대해 수행한 실험은 이제 가정된 집단 지능이 때때로 단순하고 일반적인 물리적 메커니즘의 결과일 수도 있음을 보여줍니다. 프랭크 시초스(Frank Cichos) 교수와 클라우스 크로이(Klaus Kroy) 교수가 이끄는 물리학자 팀은 합성으로 생산된 브라운 마이크로 스위머 떼가 목표 지점을 직접 향하는 대신 자발적으로 궤도를 돌기로 결정하는 것으로 보인다는 사실을 발견했습니다. 그들은 방금 연구 결과를 저널에 발표했습니다. 자연 커뮤니케이션.

“무리와 무리 행동에 대한 과학적 연구는 일반적으로 현장 관찰을 기반으로 합니다. 이러한 경우 일반적으로 무리 동물의 내부 상태를 안정적으로 기록하기가 어렵습니다.”라고 Kroy는 말했습니다. 그 결과, 관찰의 해석은 관찰 중인 복잡한 집합 집단에 개별 행동 규칙이 필요하다는 그럴듯한 가정에 자주 의존합니다. 따라서 라이프치히 대학의 연구원들은 자연적인 군집 지능의 속성을 이끌어내고 개인의 내부 상태, 전략 및 신호 인식의 탐색 반응으로의 변환을 완벽하게 제어할 수 있는 미세 수영자의 실험 모델 시스템을 개발했습니다.

정교한 레이저 가열 시스템(이미지 참조) 덕분에 현미경에서만 볼 수 있는 콜로이드 수영자는 일종의 “열 영동 자기 추진”에 의해 물통에서 능동적으로 자기 추진할 수 있습니다. 브라운 운동에 의한 무작위 방식. “미시물리학에서 유비쿼터스인 브라운 랜덤 모션과는 별도로, 실험 설정은 개별 콜로이드 수영 선수의 물리적 매개변수 및 탐색 규칙에 대한 완전한 제어를 제공하고 다양한 크기의 무리를 장기간 관찰할 수 있도록 합니다.”라고 Cichos는 말했습니다.

Cichos에 따르면 모든 수영 선수가 매우 간단하고 일반적인 탐색 규칙을 동일하게 따를 경우 놀랍도록 복잡한 군집 행동이 나타납니다. 예를 들어, 수영하는 사람들이 같은 고정 지점을 목표로 한다면 같은 장소에 모이는 대신 일종의 회전목마가 형성될 수 있습니다. 인공위성이나 원자 전자와 마찬가지로 수영자는 다양한 높이의 원형 경로에서 매력적인 중심을 선회합니다. 이를 위해 필요한 유일한 “지능형” 행동 규칙은 자체 추진 장치가 특정 시간 지연으로 환경 인식에 반응한다는 것인데, 이는 일반적으로 모기 춤에서 도로 교통에 이르기까지 자연적인 무리 현상에서 일반적으로 발생합니다. 이러한 “지연” 효과만으로도 위에서 설명한 회전 목마와 같은 복잡한 동적 패턴을 형성하기에 충분하다는 것이 밝혀졌습니다. Kroy는 “물리적으로 말하자면, 지연된 시간과 수영 속도의 곱이 충분히 크면 각 개별 수영 선수가 자발적으로 시스템의 방사형 대칭을 깨고 원형 운동을 할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 대조적으로, 더 큰 떼의 궤도와 동기화 및 안정화는 개별 수영 선수 간의 입체적, 영동적 및 유체역학적 상호 작용과 같은 추가 세부 사항에 따라 달라집니다.

살아있는 세계의 모든 신호-응답 상호 작용은 시간 지연 방식으로 발생하기 때문에 이러한 발견은 자연 군집 앙상블의 동적 패턴 형성에 대한 이해를 더욱 높여야 합니다. 연구원들은 실험을 위해 의도적으로 원시적이고 균일한 탐색 규칙을 선택했습니다. 이를 통해 관찰된 현상에 대한 엄격한 수학적 설명을 개발할 수 있었습니다. 이를 위해 사용된 지연된 확률적 미분방정식의 분석에서, 지연에 의해 유도된 수영선수와 자신의 과거와의 효과적인 동기화가 자발적 순환 운동의 핵심 메커니즘인 것으로 밝혀졌습니다. 대체로 이론은 실험적 관찰을 수학적으로 예측할 수 있게 해줍니다. “대체로 우리는 Brownian microswimmer 떼를 위한 실험실을 만드는 데 성공했습니다. 이것은 점점 더 복잡해지고 아마도 아직 알려지지 않은 떼 행동에 대한 미래의 체계적인 연구를 위한 빌딩 블록 역할을 할 수 있으며, 강아지가 종종 먹이 주위를 맴도는 이유를 설명할 수도 있습니다. 먹이를 줄 때 사발을 씻는다”고 Cichos는 말했다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230113145348.htm

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