Aves, los peces y las bacterias a menudo se juntan en grupos o enjambres. Este llamado comportamiento colectivo requiere que todos los miembros del grupo adapten sus movimientos de manera continua y recíproca. Puede ser una tarea desafiante, sin embargo, que los investigadores determinen los estímulos ambientales específicos a los que responden los individuos dentro del contexto de su grupo; además de información óptica y acústica, Las resistencias al flujo o los mensajeros químicos también pueden influir. Diseñando experimentos con micro nadadores artificiales, Los físicos de la Universidad de Konstanz pudieron demostrar que la formación de grupos estables requiere solo unas pocas habilidades:percepción visual hacia adelante a grandes distancias y regulación de la velocidad de acuerdo con el número de individuos percibidos. Además de proporcionar más información sobre los fenómenos colectivos, sus hallazgos también se pueden utilizar para la investigación de sistemas autónomos. Los resultados de su estudio se publicaron en la edición actual de la revista. Ciencias .

La capacidad de reunirse en enjambres o grupos compactos es una habilidad eficaz que permite a las personas evadir a los depredadores, encontrar comida o viajar largas distancias de manera eficiente. Para comenzar a comprender cómo se forman los enjambres, Deben responderse las siguientes preguntas:¿Qué información percibe un individuo dentro de su entorno? ¿Y cómo adapta entonces este individuo su movimiento en respuesta a tales estímulos ambientales? El llamado modelo Vicsek propone que los miembros individuales del grupo ajusten su dirección de movimiento a la de los individuos circundantes. Adicionalmente, debe haber una atracción entre los miembros del grupo. Si no se cumple una de estas dos condiciones (orientación o atracción), el enjambre se vuelve inestable y se dispersa.

Una regla más simple y robusta

Como resultado de sus experimentos recientes, Clemens Bechinger, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Konstanz, y sus colegas han descubierto una regla mucho más simple y notablemente robusta con la que los individuos forman espontáneamente un grupo estable:solo requiere que los individuos tengan una visión hacia adelante y de largo alcance, una habilidad básica de muchos organismos vivos. Cada individuo determina el número de pares visibles en su propio campo de visión. Si este número alcanza un cierto valor umbral, la partícula comienza a nadar hacia adelante; de lo contrario, sus movimientos son completamente aleatorios. Aquí, no es necesario que el individuo identifique la ubicación exacta de sus vecinos. Simplemente debe percibirlos dentro de su campo de visión.

En lugar de trabajar con organismos vivos, los físicos utilizan micro nadadores artificiales suspendidos en un líquido. Se trata de perlas de vidrio de unos pocos micrómetros de diámetro recubiertas por una cara con una fina capa de carbono. Al iluminarlos con un punto láser enfocado, el carbono absorbe la luz, haciendo que las perlas se calienten de manera desigual. El gradiente de temperatura genera un flujo de fluido en la superficie de la perla, que comienza a nadar como una bacteria. Esta situación es comparable a una hélice de barco giratoria, que empuja el agua, moviendo así la embarcación hacia adelante.

Para equipar a estos micro nadadores con un campo de visión, los investigadores utilizan un truco:con la ayuda de una computadora, las posiciones y orientaciones de todas las partículas de vidrio se controlan continuamente. Esto permite a los investigadores determinar el número de vecinos de una partícula dentro de un rango angular fijo, que corresponde al campo de visión de la partícula. Si este número excede un valor de umbral prescrito, un rayo láser enfocado ilumina brevemente la partícula respectiva, haciendo que realice un movimiento de natación. Si, sin embargo, el número de partículas permanece por debajo del valor umbral, la partícula correspondiente no está iluminada por un rayo láser, permitiendo que la partícula experimente movimientos difusivos y no dirigidos. Dado que este proceso se realiza varias veces por segundo, cada micro nadador es inducido a reaccionar de forma dinámica y continua a los más mínimos cambios en su entorno, como un pez dentro de su escuela. Usando este procedimiento, los investigadores observaron que las partículas formaban espontáneamente un enjambre artificial.

La información percibida se puede controlar de manera precisa

Al adaptar estos "organismos artificiales" para sus fines de investigación, los físicos no solo pueden determinar con precisión la información que los miembros individuales del grupo perciben dentro de su entorno, también pueden observar cómo los cambios en la percepción afectan su comportamiento colectivo. Modificar su campo de visión o su umbral de percepción cambia el nivel respectivo de formación y cohesión del grupo. De este modo, los físicos crearon partículas con el amplio campo de visión de los herbívoros y descubrieron que permanecen juntas solo al reducir su umbral de reacción. En otras palabras Los herbívoros necesitan mantenerse vigilados unos a otros para permanecer dentro de su grupo protector. Con su modelo simple, También se explica cómo la visión estrecha de los depredadores es una ventaja para detectar la presencia de presas a grandes distancias.

Otro hallazgo importante de la investigación es que los individuos gregarios, en principio, no tienen que adaptar la dirección de su velocidad ni recopilar información sobre la velocidad de sus vecinos. Desde el punto de vista del sistema de control, esto es extremadamente ventajoso ya que se requieren recursos sensoriales y cognitivos mínimos para tal comportamiento. Este aspecto también puede resultar útil para futuras aplicaciones, dónde, por ejemplo, Se espera que millones de microrobots autónomos con capacidad informática limitada realicen tareas complejas. Para garantizar que tales tareas se lleven a cabo con éxito, deben poder organizarse y coordinar su comportamiento. Estas habilidades también asegurarán que los grupos puedan dominar situaciones imprevistas, como cuando los bancos de peces evaden con éxito a un atacante.