Hoe zwermen vogels zonder te botsen? Inzicht in collectieve bewegingen in heterogene populaties
Het elektrificeren van plastic kralen in een laboratoriumopstelling veroorzaakt zwermgedrag dat lijkt op wat we bij vogels zien. En als je kralen van twee groottes mengt, scheiden ze automatisch in twee groepen. Deze ogenschijnlijk eenvoudige observatie van Alexandre Morin en Samadarshi Maity leert ons over collectieve beweging op alle schalen. ‘Het is prachtig dat zoiets complex als vogels in zijn essentie kan worden begrepen door middel van kralen.’
Een enkele vogel kan in elke richting vliegen die hij wil. Maar een groep vogels beweegt in dezelfde richting alsof ze één zijn, zonder een leider te volgen: het is een zwerm. Dit spontane zwermen is het fenomeen dat Morin bestudeert. Niet door dieren te observeren, maar plastic microkralen.
Wat kralen ons leren over zwermgedrag
‘We bestuderen collectieve bewegingen’, begint Morin. ‘Mensen verwachten dat een object zich altijd hetzelfde gedraagt, ongeacht hoeveel er van zijn. Maar dat is niet het geval boven een bepaalde dichtheid. Niet voor vogels en niet voor kralen. Het principe is hetzelfde.’ Met microkralen die tien keer zo klein zijn als de dikte van een haar bootsen de onderzoekers zwermen na in het lab. Op deze manier kunnen ze een enkele kraal beheersen, maar ook enorme zwermen manipuleren. Iets wat met dieren niet mogelijk is. ‘Met zwermen die onder de microscoop passen, kunnen we zoveel meer leren.’
Promovendus Maity beschrijft het experiment. ‘We plaatsen twee soorten kralen met verschillende maten in een cirkelvormige ruimte. We geven ze vervolgens een vaste snelheid in een willekeurige richting. Als er genoeg kralen zijn, ontstaat er een collectieve draaikolkbeweging.' Morin voegt toe: ‘Met andere woorden, de kralen gedragen zich als een zwerm ook al hebben ze geen hersenen. Ik vind dat verbazingwekkend.’
Onverwachts sorteren de kralen zichzelf
Het zwermen van een enkele soort was al goed begrepen, maar de Leidse onderzoekers gaan een stap verder door twee soorten te mengen. Dat leidde tot iets onverwachts. ‘Door twee groottes te mixen, voegen we complexiteit toe die natuurlijke systemen beter weergeeft’, legt Maity uit. ‘We zagen dat de kleine kralen al snel naar het midden bewogen en de grote naar de rand. Ze sorteren zichzelf spontaan.’ ‘En toen wilden we natuurlijk begrijpen waarom dat gebeurt’, vult Morin aan.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofOm deze vraag te beantwoorden, ontwikkelden ze een theoretisch model, vertelt Morin. ‘Met een wiskundig model kunnen we algemene regels achterhalen. Die beschrijven alle interacties in het systeem en volgen individuele kralen op elk moment.’
‘Ik heb een heleboel kleinere experimenten gedaan en voerde die gegevens in het model in’, zegt Maity. ‘En dat werkte opmerkelijk goed. Ons model kan precies voorspellen hoe een systeem zal bewegen. We ontdekten dat de belangrijkste invloed op het sorteergedrag niet de grootte van de kralen is, maar hun snelheid.’
Autonome robotzwermen
Het is relatief eenvoudig om deeltjes met verschillende groottes te scheiden met een centrifuge. Deze techniek wordt alom gebruikt, van de farmaceutische industrie tot voedingsmiddelenproductie. Het werk van Morin en Maity biedt een alternatief. ‘We kunnen met onze methode zelfs deeltjes met dezelfde grootte en dichtheid scheiden’, aldus Morin. Inzicht in zwermgedrag heeft volgens Maity ook andere voordelen. ‘Een ander voorbeeld zijn autonome zwermen robots, zoals in een magazijn of de Starlink-satellieten. Ons werk kan helpen om zulke robots beter te programmeren. De zwerm wordt zo betrouwbaarder dan de individuele robots. Als er eentje uitvalt, functioneert de zwerm nog steeds.’
De groep van Morin begrijpt het systeem van zwermende kralen nu door en door, dus verleggen ze hun aandacht. ‘We blijven kijken naar zelforganisatie, maar dan met vervormbare materialen. Dat bootst menselijke weefsels na. Zo leren we natuurlijke systemen nog beter te begrijpen.’
Dit onderzoek is gepubliceerd in het vaktijdschrift Physical Review Letters: Spontaneous Demixing of Binary Colloidal Flocks.