Des chercheurs ont étudié le comportement en essaim des micronageurs

“La recherche scientifique sur le comportement des troupeaux et des troupeaux est généralement basée sur des observations sur le terrain. Dans de tels cas, il est généralement difficile d’enregistrer de manière fiable les états internes des animaux du troupeau”, a déclaré Kroy. Par conséquent, l’interprétation des observations repose souvent sur des hypothèses plausibles quant aux règles de comportement individuelles nécessaires pour les groupes collectifs complexes observés. Des chercheurs de l’Université de Leipzig ont donc développé un système modèle expérimental de micronageurs qui élicite les propriétés de l’intelligence naturelle de l’essaim et fournit un contrôle complet sur les états internes, les stratégies et la transformation de la perception du signal en une réaction de navigation.

Grâce à un système de chauffage laser sophistiqué (voir image), les nageurs colloïdaux, visibles uniquement au microscope, peuvent s’autopropulser activement dans un réservoir d’eau par une sorte d'”autopropulsion thermophorétique” alors que leur déplacement est perturbé en permanence dans de manière aléatoire par mouvement brownien. “Outre le mouvement aléatoire brownien, qui est omniprésent en microphysique, la configuration expérimentale offre un contrôle complet sur les paramètres physiques et les règles de navigation des nageurs colloïdaux individuels et permet des observations à long terme d’essaims de tailles variables”, a déclaré Cichos.

Selon Cichos, lorsqu’une règle de navigation très simple et générique est suivie à l’identique par tous les nageurs, il en résulte un comportement d’essaim étonnamment complexe. Par exemple, si les nageurs visent le même point fixe, au lieu de se rassembler au même endroit une sorte de carrousel peut se former. Semblables aux satellites ou aux électrons atomiques, les nageurs orbitent alors autour de leur centre attractif sur des trajectoires circulaires de hauteurs variables. La seule règle de comportement “intelligente” requise pour cela est que l’auto-propulsion répond à la perception de l’environnement avec un certain délai, ce qui se produit généralement dans les phénomènes naturels d’essaim, des danses de moustiques au trafic routier de toute façon. Il s’avère qu’un tel effet “retardé” suffit à lui seul à former des motifs dynamiques complexes tels que le carrousel décrit ci-dessus. “Physiquement parlant, chaque nageur peut briser spontanément la symétrie radiale du système et se mettre en mouvement circulaire si le produit du temps de retard et de la vitesse de nage est suffisamment grand”, a déclaré Kroy. En revanche, les orbites d’essaims plus grands et leur synchronisation et stabilisation dépendent de détails supplémentaires tels que les interactions stériques, phorétiques et hydrodynamiques entre les nageurs individuels.

Étant donné que toutes les interactions signal-réponse dans le monde vivant se produisent de manière retardée, ces découvertes devraient également approfondir la compréhension de la formation de modèles dynamiques dans les ensembles d’essaims naturels. Les chercheurs ont délibérément choisi des règles de navigation primitives et uniformes pour leur expérience. Cela leur a permis de développer une description mathématique rigoureuse des phénomènes observés. Dans l’analyse des équations différentielles stochastiques retardées utilisées à cette fin, la synchronisation effective induite par le retard des nageurs avec leur propre passé s’est avérée être le mécanisme clé du mouvement circulaire spontané. Dans une large mesure, la théorie nous permet de prédire mathématiquement les observations expérimentales. “Dans l’ensemble, nous avons réussi à créer un laboratoire pour les essaims de micronageurs browniens. Cela peut servir de base pour de futures études systématiques sur le comportement des essaims de plus en plus complexes et peut-être encore inconnus, et cela peut également expliquer pourquoi les chiots tournent souvent autour de leur nourriture. bol quand ils sont nourris », a déclaré Cichos.