Pesquisadores estudaram o comportamento de enxame de micronadadores.
Por Universidade de Leipzig com informações de Science Daily.
O comportamento de enxame aparentemente coordenado espontaneamente exibido por grandes grupos de animais é um fenômeno coletivo fascinante e impressionante. Experimentos conduzidos por pesquisadores da Universidade de Leipzig em micronadadores sintéticos controlados por laser agora mostram que a suposta inteligência de enxame às vezes também pode ser o resultado de mecanismos físicos simples e genéricos. Uma equipe de físicos liderada pelo professor Frank Cichos e pelo professor Klaus Kroy descobriu que enxames de micronadadores brownianos produzidos sinteticamente parecem decidir espontaneamente orbitar seu ponto-alvo em vez de ir diretamente para ele. Eles acabaram de publicar suas descobertas na revista Nature Communications.
“Pesquisas científicas sobre o comportamento de rebanhos geralmente são baseadas em observações de campo. Nesses casos, geralmente é difícil registrar com segurança os estados internos dos animais do rebanho”, disse Kroy. Como resultado, a interpretação das observações freqüentemente se baseia em suposições plausíveis sobre quais regras individuais de comportamento são necessárias para os complexos grupos coletivos sob observação. Pesquisadores da Universidade de Leipzig, portanto, desenvolveram um sistema modelo experimental de micronadadores que extrai propriedades da inteligência natural do enxame e fornece controle completo sobre os estados internos, estratégias e transformação da percepção do sinal em uma reação de navegação dos indivíduos.
Graças a um sofisticado sistema de aquecimento a laser (ver imagem), os nadadores coloidais, visíveis apenas ao microscópio, podem se autopropulsionar ativamente em um recipiente de água por uma espécie de “autopropulsão termoforética”, enquanto sua viagem é permanentemente perturbada em uma maneira aleatória pelo movimento browniano. “Além do movimento aleatório browniano, que é onipresente na microfísica, a configuração experimental fornece controle completo sobre os parâmetros físicos e regras de navegação dos nadadores coloidais individuais e permite observações de longo prazo de enxames de tamanhos variáveis”, disse Cichos.
De acordo com Cichos, quando apenas uma regra de navegação muito simples e genérica é seguida de forma idêntica por todos os nadadores, resulta um comportamento de enxame surpreendentemente complexo. Por exemplo, se os nadadores estiverem mirando no mesmo ponto fixo, ao invés de se reunirem no mesmo local pode se formar uma espécie de carrossel. Semelhante aos satélites ou elétrons atômicos, os nadadores então orbitam seu centro atraente em trajetórias circulares de alturas variadas. A única regra comportamental “inteligente” necessária para isso é que a autopropulsão responda à percepção ambiental com um certo atraso de tempo, o que geralmente ocorre em fenômenos naturais de enxame, desde danças de mosquitos até tráfego rodoviário. Acontece que esse efeito “atrasado” sozinho é suficiente para formar padrões dinâmicos complexos, como o carrossel descrito acima. “Fisicamente falando, cada nadador individual pode quebrar espontaneamente a simetria radial do sistema e entrar em movimento circular se o produto do tempo de atraso e da velocidade de natação for grande o suficiente”, disse Kroy. Em contraste, as órbitas de enxames maiores e sua sincronização e estabilização dependem de detalhes adicionais, como as interações estéricas, foréticas e hidrodinâmicas entre os nadadores individuais.
Como todas as interações sinal-resposta no mundo vivo ocorrem de maneira atrasada, essas descobertas também devem aprofundar a compreensão da formação de padrões dinâmicos em conjuntos de enxames naturais. Os pesquisadores escolheram deliberadamente regras de navegação primitivas e uniformes para seu experimento. Isso lhes permitiu desenvolver uma descrição matemática rigorosa dos fenômenos observados. Na análise das equações diferenciais estocásticas atrasadas usadas para esse fim, a sincronização efetiva induzida por atraso dos nadadores com seu próprio passado acabou sendo o mecanismo chave para o movimento circular espontâneo. Em grande parte, a teoria nos permite prever matematicamente as observações experimentais. “Ao todo, conseguimos criar um laboratório para enxames de micronadadores brownianos.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Universität Leipzig . Original escrito por Susann Huster.
Referência do periódico :
Xiangzun Wang, Pin-Chuan Chen, Klaus Kroy, Viktor Holubec, Frank Cichos. Spontaneous vortex formation by microswimmers with retarded attractions. Nature Communications , 2023; 14 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-35427-7
