Pássaros, peixes e bactérias geralmente se reúnem em grupos ou enxames. Este assim chamado comportamento coletivo requer que todos os membros do grupo adaptem contínua e reciprocamente seus movimentos. Pode ser uma tarefa desafiadora, Contudo, para os pesquisadores verificarem os estímulos ambientais específicos aos quais os indivíduos respondem dentro do contexto de seu grupo; além de informações ópticas e acústicas, resistências de fluxo ou mensageiros químicos também podem desempenhar um papel. Ao projetar experimentos com micro-nadadores artificiais, os físicos da Universidade de Konstanz conseguiram mostrar que a formação de grupos estáveis ​​requer apenas algumas habilidades:percepção visual avançada em grandes distâncias e regulação da velocidade de acordo com o número de indivíduos percebidos. Além de fornecer mais informações sobre fenômenos coletivos, suas descobertas também podem ser usadas para pesquisas em sistemas autônomos. Os resultados de seu estudo foram publicados na edição atual da revista. Ciência .

A capacidade de se reunir em enxames compactos ou grupos é uma habilidade eficaz que permite que os indivíduos evitem predadores, encontrar comida ou viajar longas distâncias com eficiência. Para começar a entender como os enxames se formam, as seguintes questões devem ser respondidas:Quais informações um indivíduo percebe em seu ambiente? E como esse indivíduo adapta seu movimento em resposta a tais estímulos ambientais? O chamado modelo Vicsek propõe que os membros individuais do grupo ajustem sua direção de movimento à dos indivíduos ao redor. Adicionalmente, deve haver uma atração entre os membros do grupo. Se uma dessas duas condições (orientação ou atração) não for atendida, o enxame se torna instável e se dispersa.

Uma regra mais simples e robusta

Como resultado de seus experimentos recentes, Clemens Bechinger, professor do Departamento de Física da Universidade de Konstanz, e seus colegas descobriram uma regra muito mais simples e notavelmente robusta com a qual os indivíduos formam espontaneamente um grupo estável:Exige apenas que os indivíduos tenham uma visão para a frente e de longo alcance, uma habilidade básica de muitos organismos vivos. Cada indivíduo determina o número de pares visíveis em seu próprio campo de visão. Se este número atingir um certo valor limite, a partícula começa a nadar para a frente; caso contrário, seus movimentos são inteiramente aleatórios. Aqui, não é necessário que o indivíduo identifique a localização exata de seus vizinhos. Deve simplesmente percebê-los dentro de seu campo de visão.

Em vez de trabalhar com organismos vivos, os físicos usam micro-nadadores artificiais suspensos em um líquido. Elas consistem em contas de vidro com diâmetros de alguns micrômetros revestidas em um lado com uma fina camada de carbono. Ao iluminá-los com um ponto de laser focado, o carbono absorve a luz, fazendo com que as contas esquentem de forma desigual. O gradiente de temperatura gera um fluxo de fluido na superfície do grânulo, que começa a nadar como uma bactéria. Esta situação é comparável a uma hélice de navio giratória, que empurra a água para longe, movendo assim o navio para a frente.

Para equipar esses micro-nadadores com um campo de visão, os pesquisadores usam um truque:com a ajuda de um computador, as posições e orientações de todas as partículas de vidro são monitoradas continuamente. Isso permite que os pesquisadores determinem o número de vizinhos de uma partícula dentro de uma faixa angular fixa, que corresponde ao campo de visão da partícula. Se este número exceder um valor limite prescrito, um feixe de laser focalizado ilumina brevemente a partícula respectiva, fazendo com que ele execute um movimento de natação. Se, Contudo, o número de partículas permanece abaixo do valor limite, a partícula correspondente não é iluminada por um feixe de laser, permitindo que a partícula sofra movimentos não direcionados e difusivos. Uma vez que este processo é realizado várias vezes por segundo, cada micro-ondas é induzido a reagir de forma dinâmica e contínua às menores mudanças em seu ambiente, assim como um peixe dentro de seu cardume. Usando este procedimento, os pesquisadores observaram que as partículas formaram espontaneamente um enxame artificial.

As informações percebidas podem ser controladas de maneira precisa

Ao adaptar esses "organismos artificiais" para seus propósitos de pesquisa, os físicos não são apenas capazes de determinar com precisão as informações que os membros individuais do grupo percebem dentro de seu ambiente, eles também podem observar como as mudanças na percepção afetam seu comportamento coletivo. A modificação de seu campo de visão ou limiar de percepção muda o respectivo nível de formação e coesão do grupo. Os físicos, portanto, criaram partículas com o amplo campo de visão dos herbívoros e descobriram que eles permanecem juntos apenas diminuindo seu limiar de reação. Em outras palavras, os herbívoros precisam ficar de olho uns nos outros para permanecer dentro de seu grupo protetor. Com seu modelo simples, também é explicado como a visão estreita de predadores é uma vantagem para detectar a presença de presas em longas distâncias.

Outra descoberta importante da pesquisa é que os indivíduos gregários, em princípio, não precisam adaptar sua direção de velocidade ou coletar informações sobre a velocidade de seus vizinhos. Do ponto de vista do sistema de controle, isso é extremamente vantajoso, uma vez que recursos sensoriais e cognitivos mínimos são necessários para tal comportamento. Este aspecto também pode ser útil para aplicações futuras, Onde, por exemplo, Espera-se que milhões de microrrobôs autônomos com capacidade de computação limitada executem tarefas complexas. Para garantir que tais tarefas sejam realizadas com sucesso, eles devem ser capazes de se organizar e coordenar seu comportamento. Essas habilidades também irão garantir que os grupos possam dominar situações imprevistas, como quando cardumes de peixes evitam com sucesso um atacante.