康斯坦茨大学 为了形成一个漩涡，一个活跃的粒子(红色的)必须在它的视野内感知邻居的位置和方向，并相应地移动
信用:托比亚斯·布尔勒 目前的实验支持有争议的假设，即物理学中一个众所周知的概念——一个临界点——是集体动物系统惊人行为的背后
康斯坦茨大学集体行为高级研究卓越中心的物理学家表明，光控微锥粒子可以组织成群体和漩涡等集体状态
通过研究在这些状态之间波动的粒子，他们为临界行为提供了证据——并支持了集体复杂行为背后的物理原理
研究结果发表在科学杂志《自然通讯》上
动物群体表现出看似矛盾的特征，既健壮又灵活
想象一群鱼:数百个排列整齐的个体可以在躲避攻击时突然转变成一阵抽搐的龙卷风
如果动物群体能够在面对漩涡或阵风等“噪音”时保持稳定，同时又能对食肉动物接近等重要变化做出反应，那么他们将从中受益
临界转变 他们如何做到这一点还不清楚
但近年来，一种可能的解释出现了:临界性
在物理学中，临界性描述了这样一个系统，在这个系统中，气体到液体等状态之间的转变发生在临界点
临界性被认为为生物系统提供了鲁棒性和灵活性之间的必要平衡
“稳定性和高反应性的结合正是临界点的特征，”该研究的主要作者克莱门斯·贝辛格说，他是集体行为高级研究中心的首席研究员和康斯坦茨大学物理系的教授
“因此，测试这能否解释我们在集体行为中看到的一些模式是有意义的
" 集体态在临界点附近徘徊的假设在过去主要是通过数值模拟来研究的
在发表在《自然通讯》上的新研究中，贝辛格和他的同事为数学预测提供了罕见的实验支持
“通过证明集体性和批判性行为之间的密切联系，我们的发现不仅增加了我们对集体状态的一般理解，而且表明一般的物理概念可能适用于生命系统，”贝辛格说
实验证据 在实验中，研究人员使用一侧涂有碳帽的玻璃珠，并将其放入粘性液体中
当受到光照时，它们像细菌一样游动，但有一个重要的区别:粒子如何与其他粒子相互作用的每个方面，从个体如何移动到可以看到多少邻居，都是可以控制的
这些微锥粒子使研究人员能够避开与生命系统合作的挑战，因为在生命系统中，相互作用的规则不容易控制
“我们在电脑中设计规则，把它们放在实验中，观察互动游戏的结果，”贝辛格说
但为了确保物理系统与生物系统相似，研究人员设计了反映动物行为的互动
例如，他们控制个人相对于邻居的移动方向
粒子被编程为要么直接游向主体中的其他粒子，要么偏离它们
根据这个运动角度，粒子被组织成漩涡或无序的群
逐渐调整这个值会引发漩涡和无序但仍有凝聚力的粒子群之间的快速转换
“我们观察到的是，系统可以从一种状态突然转换到另一种状态，这表明了像捕食者一样对外部扰动做出反应所需的灵活性，”贝辛格说，“并为关键行为提供了明确的证据。”
" “类似于动物群体和神经系统的行为” 这个结果是“理解动物集体如何进化的关键”，伊恩·库津教授说，他是集体行为高级研究中心的共同发言人，也是康斯坦茨·马克斯·普朗克动物行为研究所集体行为部的主任
尽管库津没有参与这项研究，但他已经研究了几十年，试图解释分组是如何增强动物群体的感知能力的
库津说:“这项研究中的粒子行为与我们在动物群体甚至神经系统中看到的非常相似
我们知道集体中的个体受益于更强的反应能力，但是生物学的最大挑战是测试临界性是否允许个体自发地变得对环境更加敏感
这项研究已经证实，这可以通过自发产生的物理特性来实现
通过非常简单的互动，他们已经表明你可以将一个物理系统调整到一个集体状态——临界状态——在有序和无序之间保持平衡
" 通过证明生命系统中集体性和批判性行为之间的联系，这项研究也暗示了如何将集体的智慧改造成物理系统
除了简单的粒子，这一发现有助于设计带有机载控制单元的自主微型机器人设备的有效策略
贝辛格说:“与现存的同类类似，这些微型特工应该能够自发地适应不断变化的条件，甚至能够应对无法预见的情况，而这些情况可能是通过他们在临界点附近的行动来实现的。”
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