實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的早期一步是能夠同時(shí)模擬蜂群行為和同步計(jì)時(shí) - 例如粘菌，精子和螢火蟲中發(fā)現(xiàn)的行為。

2014年，康奈爾大學(xué)的研究人員首次引入了一個(gè)簡單的群體模型 - “集群振蕩器”的縮寫 - 粒子自組織以在時(shí)間和空間上同步。

在20月<>日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的“非均勻手性和非手性群體中的多樣化行為”研究中，他們擴(kuò)展了該模型，使其對(duì)工程微型機(jī)器人更有用，更好地理解現(xiàn)有的，觀察到的生物行為，以及理論家在這一領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

“我們想要一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型，可以為蜂群奠定基礎(chǔ)，捕捉我們?cè)谧匀缓凸こ倘褐锌吹降乃袕?fù)雜的新興現(xiàn)象，”該論文的資深作者，助理教授，康奈爾工程系的Aref和Manon Lahham教員Kirstin Petersen說。

Steven Ceron博士'22，彼得森實(shí)驗(yàn)室的前研究生，是該論文的第一作者，Kevin O'Keeffe博士'17，前應(yīng)用數(shù)學(xué)研究生，是合著者。

O'Keeffe將這個(gè)模型比作一組俄羅斯娃娃中最大的娃娃，每個(gè)較小的娃娃代表能夠模擬更精細(xì)行為的模型。“我們?cè)噲D提出一個(gè)盡可能簡單的模型，希望捕捉到一般現(xiàn)象，”他說。

研究人員簡化了他們的模型，使其僅使用四個(gè)連接在一起的數(shù)學(xué)常數(shù)來產(chǎn)生不同的涌現(xiàn)行為，例如聚集，色散，渦旋，行波和彈跳集群。

新模型可以模擬自然界中每個(gè)粒子以不同的固有頻率運(yùn)行，因?yàn)橐恍┪矬w在軌跡上的移動(dòng)速度比其他物體慢而快。研究人員還增加了手性，即粒子在圓圈中移動(dòng)的能力，因?yàn)樽匀唤缰械脑S多例子，如精子，都是在圓圈和漩渦中游泳的。模型中的粒子表現(xiàn)出局部耦合，因此它們只感知和響應(yīng)它們的局部鄰居。

該模型的核心是將蜂群行為與時(shí)間同步相結(jié)合。來自大自然的蜂擁而至的例子包括成群結(jié)隊(duì)的鳥類或成群的踩踏水牛，其中個(gè)體作為一個(gè)群體一起移動(dòng)。

同步時(shí)間可以在心臟起搏器細(xì)胞中找到，這些細(xì)胞齊心協(xié)力地發(fā)射電脈沖，使心臟電擊成有規(guī)律的重復(fù)跳動(dòng)。精子同時(shí)代表這兩種現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈兛梢栽诩w游泳時(shí)齊心協(xié)力地拍打尾巴。眾所周知，螢火蟲在同步閃爍時(shí)成群結(jié)隊(duì)地飛行。

“這就是使他們成為蜂群的原因，因?yàn)橛袃蓚€(gè)自組織力量同時(shí)進(jìn)行，”奧基夫說。

該模型不會(huì)嘗試對(duì)特定現(xiàn)實(shí)世界的蜂群進(jìn)行建模，例如精子、機(jī)器人無人機(jī)或磁疇壁。相反，它試圖模擬所有這些系統(tǒng)的共同行為——它的目標(biāo)是普遍性，而不是特異性。例如，該模型被證明可以重現(xiàn)微生物粘菌中發(fā)現(xiàn)的行為，這些粘菌可以作為單個(gè)細(xì)胞運(yùn)行，但當(dāng)饑餓時(shí)會(huì)聚集成蛞蝓并最終形成子實(shí)體。

“這些非常簡單的耦合機(jī)制有可能在功率，計(jì)算和內(nèi)存資源非常有限的微型機(jī)器人群上實(shí)現(xiàn)，盡管它們各自簡單，但可以協(xié)同工作，產(chǎn)生我們?cè)谀Ｐ椭蓄A(yù)測(cè)的復(fù)雜群體行為，”彼得森說。

O'Keeffe說，未來的一個(gè)應(yīng)用可能是精準(zhǔn)醫(yī)療，其中微小的磁化不溶性顆?？梢跃奂⑾嗷ネ剑缓罂刂埔詫⒂行лd荷輸送到需要治療的組織。