A maneira pela qual os animais penetram em uma vizinhança em busca de alimento mostra semelhanças com os movimentos de partículas líquidas nos capilares das plantas ou moléculas de gás próximas a uma parede absorvente. Esses fenômenos - e muitos outros na natureza - podem ser pensados ​​como processos chamados de difusão anômala com redefinição. Pesquisas recentes sugerem que eles têm propriedades de natureza muito universal.
Desde seus primórdios, a humanidade vem aprendendo sobre o mundo. Apesar de milênios de exploração caótica e séculos de pesquisas cada vez mais sistemáticas, coloridas por sucessivas revoluções científicas, ainda não temos plena consciência das nuances das leis gerais, mesmo aquelas que descrevem fenômenos generalizados na natureza. Na verdade, muitas vezes deixamos de perceber que existem regularidades de natureza muito universal no curso de processos aparentemente diferentes. Em um artigo recente publicado na Physical Review E , uma equipe internacional de cientistas com a participação da Dra. Katarzyna Górska do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, descreveu uma característica dos sistemas em que ocorre difusão anômala com redefinição.

A difusão é um fenômeno comum. É o que chamamos de movimento caótico de partículas de poeira no ar ou a propagação de moléculas de um fluido para outro, como tinta na água. O movimento estocástico de uma partícula é o resultado de suas constantes colisões com muitos objetos menores em seu ambiente, como átomos ou moléculas. Quando os movimentos das partículas são completamente aleatórios, falamos de movimento browniano ou difusão normal. Se, no entanto, a aleatoriedade dos movimentos for perturbada (por exemplo, a partícula se move de vez em quando por uma longa distância sem interferência), estamos lidando com difusão anômala.

"Por trás da ameaçadora 'difusão anômala com reajuste' estão fenômenos bem conhecidos por todos nós", diz o Dr. Górska e dá um exemplo:"Quando um animal faminto sai de seu esconderijo pela primeira vez e penetra em seus arredores , ele se movimenta pelo ambiente de forma bastante aleatória e geralmente não tem sucesso, por isso retorna ao seu esconderijo. No dia seguinte, ele faz outra tentativa e age de forma semelhante, só que desta vez já tem o conhecimento adquirido com o seu anterior Então, por um lado, estamos lidando com a difusão, que consiste em movimentos mais ou menos aleatórios no ambiente, e, por outro, com o reset, ou seja, com o protagonista retornando ao ponto de partida."

Exemplos de processos de difusão anômalos com reajuste incluem os movimentos de partículas de gás e líquido absorvidos pelas paredes de um recipiente ou as andanças de robôs autônomos de limpeza de piso, terminando com seu retorno à carga. Fenômenos desse tipo são modelados usando equações diferenciais e integrais, geralmente assumindo que o processo de reinicialização, ou seja, o retorno da partícula ou dispositivo rastreado ao seu ponto de partida, ocorre instantaneamente (e, portanto, não é descrito por nenhuma função contínua). Só que no mundo real, o retorno sempre demora um pouco! A suposição é, portanto, não física, mas simplifica consideravelmente os cálculos.

Podemos encontrar um bom equivalente de difusão anômala com redefinição virtualmente instantânea em... inteligência militar. Um batedor sai da base e segue em direção a um alvo designado. Ele se move rapidamente em terrenos expostos, mas quando se sente mais seguro, ele penetra no terreno em sua vizinhança imediata e, embora seus movimentos sejam bastante aleatórios, ele se move em uma direção fixa em um intervalo de tempo suficientemente longo.

"Nosso mecanismo de reset é que cada scout acaba se perdendo e a base imediatamente libera outro. É importante ressaltar que todo o sistema tem uma certa memória, então o scout se lembra de todos os passos dados até agora", é assim que o Dr. Górska explica a essência do o processo de redefinição usado no artigo.

Os modelos teóricos que descrevem a difusão anômala com redefinição incluem uma parte responsável por simular movimentos estocásticos à medida que a partícula se move e outra que implementa o protocolo de redefinição. Este protocolo descreve o tempo de vida da partícula e como ela retorna ao seu ponto de partida. A equipe de pesquisadores de três pessoas, que além do Dr. Górska incluía o Dr. R. K. Singh da Universidade Bar-Ilan em Israel e o Dr. Trifce Sandev da Academia Macedônia de Ciências e Artes, analisou os efeitos a longo prazo da sutil interação entre as flutuações do processo responsável pelos movimentos das partículas e as flutuações do mecanismo de reset. Os pesquisadores conseguiram observar uma relação interessante. Acontece que sistemas com difusão anômala com reset só podem atingir um estado de equilíbrio quando as flutuações envolvidas permanecem constantes por um intervalo de tempo suficientemente longo.

"A condição acima mencionada pode ser cumprida de duas maneiras:ou reduzindo os movimentos estocásticos das partículas, o que, no entanto, leva a um aumento nas flutuações do protocolo de reset, ou, inversamente, reduzindo as flutuações do protocolo de reset, o que, por sua vez, aumenta a aleatoriedade dos movimentos das partículas. Portanto, temos aqui uma interação sutil entre as flutuações em ambos os processos", diz o Dr. Górska.

As relações estatísticas apresentadas nesta publicação já podem ser usadas para otimizar os processos de difusão em aplicações industriais ou biológicas e melhorar as estratégias de busca, por exemplo, por robôs domésticos autônomos de limpeza.

Em modelos futuros, os pesquisadores, do lado polonês financiados pelo Centro Nacional de Ciência, pretendem se concentrar, entre outras coisas, na análise da influência dos caminhos de retorno das partículas em difusão, levando em consideração a natureza física do processo de redefinição. + Explorar mais

Lançando o desafio científico para avaliar métodos para difusão anômala