El comportamiento de enjambre aparentemente coordinado espontáneamente exhibido por grandes grupos de animales es un fenómeno colectivo fascinante y sorprendente. Los experimentos realizados por investigadores de la Universidad de Leipzig en micronadadores sintéticos controlados por láser ahora muestran que la supuesta inteligencia de enjambre a veces también puede ser el resultado de mecanismos físicos simples y genéricos. Un equipo de físicos dirigido por el profesor Frank Cichos y el profesor Klaus Kroy descubrió que enjambres de micronadadores brownianos producidos sintéticamente parecen decidir espontáneamente orbitar su punto objetivo en lugar de dirigirse directamente hacia él. Acaban de publicar sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
«La investigación científica sobre el comportamiento de las manadas y los rebaños generalmente se basa en observaciones de campo. En tales casos, generalmente es difícil registrar de manera confiable los estados internos de los animales de la manada», dijo Kroy. Como resultado, la interpretación de las observaciones frecuentemente se basa en suposiciones plausibles sobre qué reglas de comportamiento individuales son necesarias para los complejos grupos colectivos bajo observación. Por lo tanto, los investigadores de la Universidad de Leipzig desarrollaron un sistema modelo experimental de micronadadores que provoca propiedades de inteligencia de enjambre natural y proporciona un control completo sobre los estados internos, las estrategias y la transformación de la percepción de la señal en una reacción de navegación de los individuos.
Gracias a un sofisticado sistema de calentamiento por láser (ver imagen), los nadadores coloidales, que solo son visibles bajo el microscopio, pueden autopropulsarse activamente en un recipiente de agua mediante una especie de «autopropulsión termoforética» mientras su viaje se ve perturbado permanentemente en aleatoriamente por movimiento browniano. «Además del movimiento aleatorio browniano, que es omnipresente en microfísica, la configuración experimental proporciona un control completo sobre los parámetros físicos y las reglas de navegación de los nadadores coloidales individuales y permite observaciones a largo plazo de enjambres de tamaños variables», dijo Cichos.
Según Cichos, cuando todos los nadadores siguen de manera idéntica una regla de navegación muy simple y genérica, se produce un comportamiento de enjambre sorprendentemente complejo. Por ejemplo, si los nadadores apuntan al mismo punto fijo, en lugar de reunirse en el mismo lugar se puede formar una especie de carrusel. Al igual que los satélites o los electrones atómicos, los nadadores luego orbitan su atractivo centro en trayectorias circulares de diferentes alturas. La única regla de comportamiento «inteligente» requerida para esto es que la autopropulsión responda a la percepción ambiental con un cierto retraso de tiempo, lo que generalmente ocurre en los fenómenos de enjambres naturales, desde los bailes de mosquitos hasta el tráfico rodado de todos modos. Resulta que tal efecto «retrasado» solo es suficiente para formar patrones dinámicos complejos como el carrusel descrito anteriormente. «Físicamente hablando, cada nadador individual puede romper espontáneamente la simetría radial del sistema y entrar en movimiento circular si el producto del tiempo de retraso y la velocidad de natación es lo suficientemente grande», dijo Kroy. Por el contrario, las órbitas de los enjambres más grandes y su sincronización y estabilización dependen de detalles adicionales como las interacciones estéricas, foréticas e hidrodinámicas entre los nadadores individuales.
Dado que todas las interacciones de señal-respuesta en el mundo vivo ocurren con un retraso en el tiempo, estos hallazgos también deberían promover la comprensión de la formación de patrones dinámicos en conjuntos de enjambres naturales. Los investigadores eligieron deliberadamente reglas de navegación primitivas y uniformes para su experimento. Esto les permitió desarrollar una estricta descripción matemática de los fenómenos observados. En el análisis de las ecuaciones diferenciales estocásticas retardadas utilizadas para este propósito, la sincronización efectiva inducida por el retardo de los nadadores con su propio pasado resultó ser el mecanismo clave para el movimiento circular espontáneo. En gran medida, la teoría nos permite predecir matemáticamente las observaciones experimentales. «Con todo, hemos tenido éxito en la creación de un laboratorio para enjambres de micronadadores brownianos. Esto puede servir como base para futuros estudios sistemáticos del comportamiento de enjambres cada vez más complejo y posiblemente aún desconocido, y también puede explicar por qué los cachorros a menudo rodean su comida tazón cuando están siendo alimentados», dijo Cichos.
