Uccelli, pesci e batteri spesso si riuniscono in gruppi o sciami. Questo cosiddetto comportamento collettivo richiede a tutti i membri del gruppo di adattare continuamente e reciprocamente i propri movimenti. Può essere un compito impegnativo, però, per i ricercatori per accertare gli stimoli ambientali specifici a cui gli individui rispondono all'interno del contesto del loro gruppo; oltre alle informazioni ottiche e acustiche, anche resistenze al flusso o messaggeri chimici possono svolgere un ruolo. Progettando esperimenti con micronuotatori artificiali, i fisici dell'Università di Costanza hanno potuto dimostrare che la formazione di gruppi stabili richiede solo poche abilità:percezione visiva in avanti su grandi distanze e regolazione della velocità in base al numero di individui percepiti. Oltre a fornire maggiori informazioni sui fenomeni collettivi, i loro risultati possono essere utilizzati anche per la ricerca sui sistemi autonomi. I risultati del loro studio sono stati pubblicati nell'attuale numero della rivista Scienza .

La capacità di riunirsi in sciami o gruppi compatti è un'abilità efficace che consente agli individui di sfuggire ai predatori, trovare cibo o percorrere lunghe distanze in modo efficiente. Per cominciare a capire come si formano gli sciami, è necessario rispondere alle seguenti domande:Quali informazioni percepisce un individuo all'interno del suo ambiente? E in che modo questo individuo adatta quindi il suo movimento in risposta a tali stimoli ambientali? Il cosiddetto modello Vicsek propone che i singoli membri del gruppo regolino la loro direzione di movimento a quella degli individui circostanti. Inoltre, ci deve essere un'attrazione tra i membri del gruppo. Se una di queste due condizioni (orientamento o attrazione) non è soddisfatta, lo sciame diventa instabile e si disperde.

Una regola più semplice e robusta

Come risultato dei loro recenti esperimenti, Clemente Bechinger, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Costanza, e i suoi colleghi hanno scoperto una regola molto più semplice e straordinariamente robusta con cui gli individui formano spontaneamente un gruppo stabile:richiede solo che gli individui abbiano una visione in avanti e a lungo raggio, una capacità di base di molti organismi viventi. Ogni individuo determina il numero di peer visibili nel proprio campo di vista. Se questo numero raggiunge un certo valore di soglia, la particella inizia a nuotare in avanti; altrimenti i suoi movimenti sono del tutto casuali. Qui, non è necessario che l'individuo identifichi le posizioni esatte dei suoi vicini. Deve semplicemente percepirli nel suo campo visivo.

Invece di lavorare con organismi viventi, i fisici utilizzano micronuotatori artificiali sospesi in un liquido. Queste sono costituite da perle di vetro del diametro di pochi micrometri ricoperte su un lato da un sottile strato di carbonio. Illuminandoli con un punto laser focalizzato, il carbonio assorbe la luce, facendo riscaldare le perline in modo non uniforme. Il gradiente di temperatura genera un flusso di fluido sulla superficie del tallone, che inizia a nuotare come un batterio. Questa situazione è paragonabile a un'elica di una nave rotante, che allontana l'acqua, spostando così la nave in avanti.

Per dotare questi micronuotatori di un campo visivo, i ricercatori usano un trucco:con l'aiuto di un computer, le posizioni e gli orientamenti di tutte le particelle di vetro sono continuamente monitorati. Ciò consente ai ricercatori di determinare il numero dei vicini di una particella all'interno di un intervallo angolare fisso, che corrisponde al campo visivo della particella. Se questo numero supera un valore soglia prescritto, un raggio laser focalizzato illumina brevemente la rispettiva particella, facendogli eseguire un movimento di nuoto. Se, però, il numero di particelle rimane al di sotto del valore di soglia, la particella corrispondente non è illuminata da un raggio laser, permettendo alla particella di subire movimenti indiretti e diffusivi. Poiché questo processo viene eseguito più volte al secondo, ogni micronuotatore è indotto a reagire in modo dinamico e continuo ai minimi cambiamenti del suo ambiente, proprio come un pesce nel suo banco. Utilizzando questa procedura, i ricercatori hanno osservato che le particelle formavano spontaneamente uno sciame artificiale.

Le informazioni percepite possono essere controllate in modo preciso

Adattando questi "organismi artificiali" ai loro scopi di ricerca, i fisici non solo sono in grado di determinare con precisione le informazioni che i singoli membri del gruppo percepiscono nel loro ambiente, possono anche osservare come i cambiamenti nella percezione influenzano il loro comportamento collettivo. Modificando il loro campo visivo o la soglia di percezione cambia il rispettivo livello di formazione e coesione del gruppo. I fisici hanno così creato particelle con l'ampio campo visivo degli erbivori e hanno scoperto che stanno insieme solo abbassando la loro soglia di reazione. In altre parole, gli erbivori hanno bisogno di tenersi d'occhio l'un l'altro per rimanere all'interno del loro gruppo protettivo. Con il loro semplice modello, viene inoltre spiegato come la visione ristretta dei predatori sia un vantaggio per rilevare la presenza di prede su lunghe distanze.

Un altro importante risultato della ricerca è che gli individui socievoli, in linea di principio, non devono adattare la loro direzione di velocità o raccogliere informazioni sulla velocità dei loro vicini. Dal punto di vista del sistema di controllo, ciò è estremamente vantaggioso poiché per tale comportamento sono necessarie risorse sensoriali e cognitive minime. Questo aspetto potrebbe rivelarsi utile anche per future applicazioni, dove, Per esempio, si prevede che milioni di microrobot autonomi con capacità di calcolo limitata eseguano compiti complessi. Per garantire che tali compiti siano svolti con successo, devono sapersi organizzare e coordinare i propri comportamenti. Queste abilità garantiranno anche che i gruppi possano padroneggiare situazioni impreviste, come quando banchi di pesci eludono con successo un attaccante.