Амебы — одноклеточные организмы. Путем самоорганизации они могут образовывать сложные структуры — и делают это исключительно за счет локальных взаимодействий: если у них много пищи, они равномерно распределяются по питательной среде. Но если пищи становится мало, они выделяют мессенджер, известный как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Этот химический сигнал побуждает амеб собираться в одном месте и образовывать многоклеточное скопление. В результате образуется плодовое тело.

«Это явление хорошо известно», — говорит профессор Эрвин Фрей с физического факультета LMU. «Однако до сих пор ни одна исследовательская группа не исследовала, как обработка информации на общем уровне влияет на агрегацию систем агентов, когда отдельные агенты — в нашем случае амебы — движутся сами по себе». Также было бы интересно узнать больше об этих механизмах, добавляет Фрей, в том, что касается их переноса в искусственные технические системы.

Вместе с другими исследователями Фрей описывает в Nature Communications, как можно использовать активные системы, обрабатывающие информацию в своей среде, — для технологических или биологических приложений. Речь идет не о понимании всех деталей коммуникации между отдельными агентами, а о конкретных структурах, образующихся посредством самоорганизации . Это относится к амебам, а также к некоторым видам роботов. Исследование проводилось в сотрудничестве с профессором Игорем Аронсоном во время его пребывания в LMU в качестве лауреата исследовательской премии Гумбольдта.

От биологического механизма к технологическому применению

Термин «активное вещество» относится к биологическим или техническим системам, из которых посредством самоорганизации формируются более крупные структуры. Такие процессы основаны исключительно на локальных взаимодействиях между идентичными самодвижущимися единицами, такими как амебы или даже роботы.

Вдохновленные биологическими системами , Фрей и его соавторы предлагают новую модель, в которой самодвижущиеся агенты общаются друг с другом. Эти агенты распознают химические, биологические или физические сигналы на локальном уровне и принимают индивидуальные решения, используя свой внутренний механизм, что приводит к коллективной самоорганизации. Эта ориентация приводит к более крупным структурам, которые могут охватывать несколько масштабов длины.

В основу исследования легла новая парадигма сообщающейся активной материи. Локальные решения в ответ на сигнал и передачу информации ведут к коллективно контролируемой самоорганизации.

Фрей видит возможное применение новой модели в мягких роботах, то есть в роботах, сделанных из мягких материалов. Такие роботы подходят, например, для выполнения задач в человеческом теле. Они могут общаться с другими мягкими роботами с помощью электромагнитных волн для таких целей, как введение лекарств в определенные участки тела. Новая модель может помочь нанотехнологам в разработке таких систем роботов , описывая коллективные свойства роев роботов.

«Достаточно примерно понять, как отдельные агенты общаются друг с другом; самоорганизация позаботится обо всем остальном», — говорит Фрей. «Это смена парадигмы именно в робототехнике, где исследователи пытаются сделать прямо противоположное — они хотят получить чрезвычайно высокий уровень контроля». Но это не всегда удается.

«Наше предложение, напротив, состоит в том, чтобы использовать способность к самоорганизации».